Этапы развития биотехнологии как науки

Каждую неделю население нашей планеты увеличивается в среднем на 1,2 млн. человек, и по прогнозам специалистов в ХХI веке оно должно превысить 6 млрд. Современный человек потребляет в сутки около 800 г пищи и 2000 мг воды.

Главная роль в решении проблемы мирового дефицита пищевых продуктов отводилась в недалеком прошлом интенсификации сельскохозяйственного производства. Однако научно доказано, что ликвидировать огромный дефицит в питании лишь за счет расширения посевных площадей, увеличения поголовья скота, роста продуктивности растениеводства и животноводства невозможно, поэтому предпринимаются меры, которые заключаются не только в увеличении валового урожая, но и повышении пищевой ценности продуктов. Разумеется для совершенствования сельскохозяйственного производства еще не все резервы использованы. Наиболее реальный выход — это поиск новых эффективных способов увеличения пищевых ресурсов планеты, использование нетрадиционных видов сырья, создание безотходных и внедрение новых технологий.

Накопленный в мире опыт создания новых технологий указывает на актуальность работ в области биотехнологии и необходимость ускорения внедрения научно-технических достижений биотехнологии в различные отрасли народного хозяйства. Под биотехнологией понимают изучение важнейших микробиологических процессов и их практическое использование индустриальным способом, а также методы получения полезных для человека веществ и продуктов в регулируемых условиях, используя клетки животных и растений или изолированные из клеток биологические структуры.

Развитие биотехнологии и использование ее достижений, согласно определению Европейской Федерации биотехнологов (ЕФБ, 1984), связано с накоплением фундаментальных знаний в области молекулярной биологии, цитологии и генетики, теоретическими и прикладными разработками в области науки о питании, совершенствованием технологии переработки сырья в готовую продукцию. В биотехнологии широко используются генетическая и клеточная инженерия, иммунокоррекция и биоинженерия.

Осмысление биотехнологии произошло в ХХ в. Идея взаимоотношений человека и микромира с двух позиций — враждебности и дружелюбия — впервые обоснована основателем современной микробиологии Луи Пастером, его учениками и последователями (А. де Бари, Э. Дюкло, Э. Ру, Ш.Э. Шамберлан, Р.Кох, И.И. Мечников, Д. Листер, Д.И. Ивановский). В последующем сделаны важнейшие открытия, благодаря которым микроорганизмы стали сознательно применять для производства ряда пищевых продуктов.

На третьем съезде Европейской ассоциации биотехнологов, состоявшемся в 1984 г. в Мюнхене, предложено ретроспективное деление истории биотехнологии на пять периодов, соответствующих важнейшим открытиям, обуславливающих новые возможности для науки и промышленного использования (табл. 3.1). Каждый из периодов развития биотехнологии ознаменовался такими открытиями, которые навсегда определили значение этой науки в развитии человечества. К ним относится целенаправленное использование микроорганизмов в технологии хлеба, вина, кисломолочных продуктов, получение чистых культур микроорганизмов на селективных питательных средах, обнаружение вирусов и бактериофагов, теоретическое обоснование механизма ферментативных реакций, крупнотоннажный синтез органических веществ, в т.ч.

Основные вехи развития биотехнологии

Накопленные научные факты побудили в 1950 г. француза Ж. Моно опубликовать работу о теоретических основах непрерывного управляемого культивирования микробов в биореакторах. В дальнейшем фундаментальные работы Ф. Крика и Дж. Уотсона (1953 г.) по установлению структуры ДНК стали фундаментом исследований по генной инженерии и молекулярной биотехнологии. Выяснение механизмов функционирования и регулирования ДНК, выделение и изучение специфичных ферментов привело к формированию научного подхода к разработке биотехнологических процессов на основе генно-инженерных работ. В 1982 г. на рынке появился человеческий инсулин, выработанный кишечными палочками, несущими в себе встроенную генетическую информацию об этом гормоне. По аналогичной технологии получены и другие генно-инженерные препараты, например, интерфероны, которые обеспечивают иммунитет человека.

Согласно классификации, предложенной И.А. Роговым, историю развития биотехнологии в области производства пищевых продуктов можно классифицировать как традиционную биотехнологию, современную и новейшую в соответствии с применяемыми методами и процессами:

— традиционная биотехнология (включает от трех до шести тысячелетий, вплоть до ХХ в) — период спонтанной, ненаправленной ферментации, происходящей в процессах производства вина, хлеба, пива, уксуса, квашении капусты, молочных продуктов;

— современная биотехнология — связана с использованием биотехнологии в различных производственных процессах, в первую очередь для производства различных органических веществ, а также для изготовления пищевых продуктов (синтез пищевых кислот, производство кормового микробного белка на основе углеводов нефти, этанола и метанола в количестве более 1,8 млн. т, витаминов в количестве более 3 тыс. т);

— новейшая биотехнология — базируется на научных открытиях в области молекулярной биологии и генетики, т.е. достижениях генной инженерии (период характеризуется расширением исследований, направленных на внедрение в практику сельскохозяйственного производства генетически модифицированных или трансгенных растений, устойчивых к гербицидам, инсектицидам, вирусам, обладающих повышенными потребительскими свойствами).

Процессы, используемые в биотехнологии, основаны на функционировании либо клеток, либо изолированных из них биологических структур, чаще всего ферментов. В крупнотоннажных биотехнологических производствах ферментационный процесс реализуют, используя активные, специально селекционированные культуры микроорганизмов.

В последние годы наиболее активно развивается направление биотехнологии, связанное с созданием генетически модифицированных продуктов питания. Достижения современной науки позволяют осуществить перенос генов любого организма в клетку реципиента для получения растения, животного или микроорганизма с рекомбинантными генами и, соответственно, свойствами.

В результате трансгенной модификации растения становятся устойчивыми к гербицидам, инсектицидам, вирусам. Большое значение приобретают новые технологии получения трансгенных сельскохозяйственных животных и птицы, направленные на повышение продуктивности и оптимизацию отдельных частей и тканей туши (тушек), что оказывает положительное влияние на качество и физико-химические свойства мяса, его технологичность и промышленную пригодность, особенно в условиях дефицита сырья. Возможность использования специфичности и направленности интегрированных 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 желаемых показателей, но и повысить приспосабливаемость животных и птицы к окружающей среде, получить устойчивость к заболеваниям, направленно изменить наследственные признаки.

Даже в самых прогрессивных процессах биотехнологии, основанных на использовании биологических агентов, полученных методами генной и клеточной инженерии, важно знать основные принципы, использование которых позволяет управлять метаболизмом микроорганизмов и получать конечный продукт с максимальным выходом на фоне высокой интенсификации процесса. В целом, в основу биотехнологии положены современные представления о микроорганизмах и ферментных препаратах.

Основными приоритетными направлениями развития биотехнологии в производстве продуктов питания являются:

— использование биомассы микроорганизмов и препаратов на их основе в качестве заменителей основного сырья, источника обогащения витаминов, микро- и макроэлементов, продуцента ферментов, аминокислот, ароматизаторов и красителей с целью совершенствования технологических процессов, создания принципиально новых технологий, повышения пищевой ценности, увеличения срока хранения, улучшения вкуса, аромата, консистенции и других характеристик.

— применение иммобилизованных ферментов, преимущество которых заключается в возможности многократного их использования, повышенной стабильности и длительности ферментативной активности, возможности использования при непрерывных технологических процессах, сравнительно коротком времени воздействия на субстрат, возможности создания мультиферментных систем, отличающихся высокой эффективностью действия, и, наконец, в гигиенической безопасности. При правильном выборе иммобилизованного фермента и технологического процесса его использование позволяет добиться существенного улучшения экономических показателей.

Подводя итог можно отметить, что биотехнология является динамично развивающейся отраслью как в мире, так и в России. Неслучайно по решению ООН ХХI в. объявлен веком биотехнологии. Предполагается, что в 2005 г. европейский биотехнологический рынок достигнет 100 млрд. евро, а к 2010 г. объем мирового биотехнологического сектора будет составлять два трлн. евро. Ученые считают, что именно с ее помощью можно будет решить глобальные проблемы, обострившиеся в настоящее время: экологические, продовольственные, промышленные, медицинские.

Биотехнология как наука возникла на стыке биологических, химических и технологических наук.

Голландский ученый Е. Хаувинк (1984) историю био­технологии условно разделил на пять периодов (эр).

1. Допастеровская эра (до 1865).В этот период биотехнология базировалась на процессах брожения: получении пива, вина, сыра, хлеба. Опыт получения ферментированных продуктов передавался человеком из поколения в поколение на протяжении тысячелетий, хотя о причинах брожения и о том, как оно осуществля­ется, ему еще ничего не было известно. Только в XIX в. французский ученый Луи Пастер указал на специфичес­кое воздействие микроорганизмов на субстрат, что по­служило основой для изучения физиологии микробов. Он доказал, что представители микромира отличаются не только внешним видом, но и особенностями обмена веществ.

2. Послепастеровская эра (1866-1940).Именно в этот период освоение новых биологических методов определило развитие биохимии, вирусологии, генетики, цитологии, биофи­зики и других наук. Налажено производство этанола, бутанола, ацетона, глицерола, органических кислот и вакцин. Освоено производство кормовых дрожжей из углеводородов с использованием микроорганизмов, разработана аэробная очистка канализационных вод.

В.С. Буткевич и С.П. Костычев выявили общие для дыхания и брожения стадии превращения глюкозы до пировиноградной кислоты. Доказали, что органические кислоты образуются в результате жизнедеятельности грибов, что позволило создать промышленное произ­водство лимонной кислоты. С.А. Королев и А.Ф. Войткевич разработали теоретические основы сущности микробиологических процессов при выработке, хране­нии и созревании молочных продуктов, значительно расширив представление о физиологии молочнокислых бактерий. Благодаря исследованиям В.Н. Шапошнико­ва появилась возможность промышленного производ­ства молочной кислоты, органических растворителей.

3. Эра антибиотиков (1941-1960).Спустя 12 лет после открытия зеленой кистевидной плесени Penicillium notatum, продуцирующей антибио­тик, Александр Флеминг — автор открытия писал: «Не стоит трудиться ради того, чтобы получить пеницил­лин». Однако с началом Второй мировой войны возник­ла острая потребность в этом препарате. Англичане X. Флори и Э. Чейн (Оксфордский университет) полу­чили очищенный от примесей желтый порошок пени­циллина и успешно испытали его на мышах, предвари­тельно зараженных патогенными бактериями. Получение пенициллина (в 1945 г. его производство достигло уже 0,5 т) стало важ­ным этапом в становлении современной биопромыш­ленности, а главные лица (А. Флеминг, X. Флори и Э. Чейн), участвовавшие в его создании, получили в 1945 г. Нобелевскую премию.

Вместе с тем, хотя биотехнологические процессы в основном связаны с микроорганизмами, уже в эти годы не менее существенную роль сыграло использование клеток животных и растений.

С начала 50-х годов XX в. вирус полиомиелита для производства вакцины выращивается в культурах кле­ток млекопитающих. Именно в эти годы линии культур клеток человека стали незаменимыми для выделения и выращивания ряда других вирусов, при производстве вы­сокоспецифических белков (антител и интерферонов), в исследованиях рака и в противовирусной химиотерапии.

В этот же период широко используется культура рас­тительной ткани, техника которой была значительно усовершенствована в 1937 г. В том же году Р. Готре раз­работал метод культивирования недифференцирован­ной ткани моркови. Отделенный от родительского рас­тения каллюс он фрагментировал и культивировал в но­вой культуральной среде, содержащей гормон роста — ауксин. Такие культуры тканей можно сохранять в течение десятилетий. В 1954 г. в Германии получена культура из отдельных растительных клеток. Позже по­добные методы получили должное развитие. В 1957 г. специалисты добились образования у культуры корней и стеблей, предварительно обработав каллюс раститель­ными гормонами.

В 1960 г. Э. Коккинг разработал метод ферментатив­ного получения протопластов, слияние которых, минуя половое размножение, позволяет получать разнообраз­ные гибриды (соматическая гибридизация).

В 1943 г. С.Э. Лурия и М. Дельбрук определяют нали­чие настоящих мутантов и мутаций среди бактерий. Этот год является годом становления генетики бактерий зарождения, а впоследствии — развития генной инжене­рии.

Начиная с 30-х годов XX в. в Советском Союзе актив­но работают научные школы академиков Н.П.Дубини­на, С.И. Алиханяна, И.А. Раппопорта, Ю.А. Овчинни­кова, К.Г. Скрябина, Е.Д. Свердлова, И.Г. Атабекова, В.Г. Дебабова, Г.К.Скрябина и др., исследующие воп­росы генетики популяций, эволюционной, радиацион­ной и космической генетики, генетические основы селекции, различные аспекты химического мутагенеза и его применение для изучения строения гена, а также в области селекции сельскохозяйственных культур и про­мышленных микроорганизмов.

4. Эра управляемого биосинтеза (1961-1975).Производство аминокислот посредством микробных мутантов имеет наибольшее значение среди возможных способов их получения.

Советский Союз производил свыше 1 млн. т микроб­ного белка. Была создана целая микробиологическая индустрия под руководством В. А. Быкова. Это позволя­ло выпускать полноценные сбалансированные корма для выращивания птицы и скота.

Химический синтез аминокислот достаточно эффек­тивен. В нем, как правило, используется непищевое сы­рье, достигается высокая концентрация продукта, воз­можна организация непрерывного производства при высокой автоматизации. Однако наряду с преимуще­ствами синтез имеет ряд недостатков. Для его проведе­ния необходима сложная аппаратура, ему свойственна многостадийность процесса. Кроме того, в результате синтеза образуются рацемические формы аминокислот. При микробном синтезе перечисленные недостатки уст­раняются.

Не менее важным достижением биотехнологии в этот период было получение чистых ферментов, промыш­ленное использование иммобилизованных ферментов и клеток. Первые шаги в этом направлении были сделаны значительно раньше: Дж. Нельсон, Е. Гриффин (1916) адсорбировали инвертазу на угле; Дж. Пфанмюллер, Г. Шлейх (1939) для обработки шкур адсорбировали протеолитические ферменты на древесных опилках; Н. Грубхофер, Д. Шмейтон (1953) впервые применили ковалентное связывание. Термин «иммобилизованные ферменты» был узаконен в 1971 г. на первой конферен­ции по инженерной энзимологии, состоявшейся в Хенникере (США). Немалый вклад в этом направле­нии внесли советские ученые И. В. Березин, К. Мартинек, В. В. Можаев, Р. В. Петров, В. Т. Иванов и др.

Впервые с помощью биотехнологии в эти годы был получен биогаз, налажено производство бактериальных полисахаридов.

5. Эра новой биотехнологии (после 1975).Новая эра биотехнологии отсчитывает свое время с открытия Д. Уотсоном и Ф. Криком строения молекулы ДНК (1953). Только после этого началось использова­ние генной и клеточной инженерии для получения агентов биосинтеза. Главными объектами исследований становятся живая клетка и молекула ДНК. Учеными различных стран созданы искусственные генетические структуры, запрограммированные на конкретные при­знаки. Первые работы с рекомбинантными молекулами ДНК в бывш. СССР были проведены в 1974 г. группой ученых во главе с академиком А. А. Баевым, а затем получили известность труды академиков Ю. И. Овчинни­кова и М. В. Иванова и их учеников. Первые публика­ции по результатам этих работ появились в 1975 г. Со­зданы бактериальные штаммы-продуценты всех типов интерферонов, продуценты гормона роста человека и ряда сельскохозяйственных животных, проинсулина че­ловека, интерлейкина-2 и т. д.

Не менее важное направление, сформировавшееся в эти годы, — получение гибридов, моноклональных ан­тител, гибридов из протопластов и меристемных куль­тур, трансплантация эмбрионов. В 1975 г. Дж. Эдельман и Р. Портер путем гибридизации соматических клеток получили гибридомы, секретирующие моноклональные антитела. В Болгарии разработан метод выращивания фруктов и овощей без косточек.

Метод слияния клеток открывал возможность слить воедино даже совершенно различные микроорганизмы, включая клетки растений, животных и человека. Фузия (соматическая гибридизация) клеток, а именно так был назван метод их «слияния», создала перспективу для получения самой разной ком­бинации генов «родительских» пар. Так, клетки челове­ка, синтезирующие антитела, но неспособные к быстро­му росту и размножению, сливали с активно растущими раковыми клетками. В результате были получены новые клетки, способные к интенсивному росту и синтезу ан­тител. Поскольку результаты подобных экспериментов хотя и прогнозируемы, но не всегда предсказуемы, в 1974 г. было наложено вето на проведение эксперимен­тов, которые могли бы привести к возникновению опас­ных для человека последствий; многие из запретов поз­же удалось снять. Однако в 1975 г. было подписано меж­дународное соглашение, запрещающее разработку и внедрение «биологического оружия».

Едва развившись, дерево генной инженерии начало давать плоды. Так, выделение и внедрение генов карли­ковости обеспечило стремительное распространение по всему миру короткостебельных неполегающих сортов злаков, способных давать урожай зерна до 100 т/га. С помощью методов генной инженерии удалось создать ряд трансгенных растений (кукуруза, соя, сорго, рис, подсолнечник) и др. Одним из приоритетных направле­ний биотехнологии становится создание более продук­тивных штаммов микроорганизмов для традиционных микробиологических процессов. Интенсивно развивается новое направление в биотехнологии — иммобилиза­ция ферментов и клеток на специальных носителях, что обеспечивает многократное их использование.

Крупным международным событием стал конгресс «Биотехнология: состояние и перспективы развития», успешно прошедший в Москве в 2002 г. и приобрет­ший статус постоянно действующего. Итоги I и II (2003) Международных конгрессов по проблемам био­технологии показали явный прогресс в развитии этой науки, которая все больше приобретает отраслевое зна­чение.

Но, несмотря на эти успехи, эра новой биотехноло­гии только начинается. То, что ей подвластно, поража­ет, ибо она в состоянии изменить саму жизнь.

Объектами биотехнологических исследований являются клетки и ткани, а также биополимеры участвующие в процессах метаболизма и передачи наследственной информации.

Лекция 1. Введение в биотехнологию.

Биотехнология как наука, предмет, объекты и основные цели. Связь биотехнологии с биологическими, техническими и другими науками.

Название науки «Биотехнология» происходит от греческих слов «bios» — жизнь, «teken» — искусство, «logos» — слово, учение, наука.

Термин «биотехнология» был введен в 1917 г. венгерским инженером Карлом Эреки при описании процесса крупномасштабного выращивания свиней с использованием в качестве корма сахарной свеклы. По определению Эреки биотехнология – это «все виды работ, при которых из сырьевых материалов с помощью живых организмов производятся те или иные продукты».

Этот термин не получил широкого распространения. В 1961 году к нему вновь вернулись после того, как шведский микробиолог Карл Герен Хеден порекомендовал изменить название научного журнала «Journal of Microbiological and Biochemical Engineering and Technology» (Журнал микробиологической и химической инженерии и технологии), который специализировался на публикации работ по прикладной микробиологии и промышленной ферментации, на «Biotechnology and Bioengineering» (Биотехнология и биоинженерия).

Начиная с этого периода, биотехнология оказалась необратимо связанной с исследованиями в области промышленного производства товаров и услуг при участии живых организмов, биологических систем и процессов.

Определение биотехнологии в довольно полном объеме дано Европейской биотехнологической федерацией, основанной в 1978 г.

Согласно нему биотехнология – это наука, которая на основе применения знаний в области микробиологии, биохимии, генетики, генной инженерии, иммунологии, химической технологии, приборо- и машиностроения используют 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.

В узком смысле биотехнология – это совокупность методов и приемов разработки и введения в сферу потребления полезных для человека продуктов, включая методы генной, клеточной и экологической инженерии.

Биотехнологические методы используются в различных отраслях промышленности и затрагивают многие сферы человеческой деятельности. Согласно этому в мире принята «цветовая» классификация биотехнологии в зависимости от областей ее применения:

1. «Красная» — обеспечение поддержки здоровья и прогрессивного развития методов лечения человека (вплоть до коррекции его генома), а также производство биофармапрепаратов (протеинов, ферментов, антител).

2. «Зеленая» — разработка и создание генетически модифицированных (ГМ) растений, устойчивых к биотическим и абиотическим стрессам; оптимизация методов ведения сельского и лесного хозяйства:

3. «Белая» — промышленная, объединяющая производство в пищевой, химической (в том числе биотопливо) и нефтеперерабатывающей индустрии;

4. «Серая» — природоохранная деятельность, биоремедиация;

5. «Синяя» — использование морских организмов и сырьевых ресурсов.

Понятие «биотехнология» может быть представлено многими определениями:

— использование биологических объектов, систем или процессов для производства необходимых продуктов или для нужд сервисной индустрии;

— комплексное применение биохимических, микробиологических и инженерных знаний с целью промышленного использования потенциальных возможностей микроорганизмов, культур клеток и отдельных компонентов или систем;

— технологическое использование биологических явлений для воспроизводства и получения (изготовления) различных типов полезных продуктов;

— приложение научных и инженерных принципов для обработки материалов биологическими агентами с целью получения необходимых продуктов или создания сервисных технологий.

Объектами биотехнологии являются вирусы, бактерии, грибы, протозойные организмы, клетки (ткани) растений, животных и человека, вещества биологического происхождения (например, ферменты, простагландины, лектины, нуклеиновые кислоты), молекулы.

Методы, применяемые в биотехнологии, определяются двумя уровнями: клеточным и молекулярным. Тот и другой определяются биообъектами.

На клеточном уровнеимеют дело с

— бактериальными клетками (для получения вакцинныхт препаратов);

— актиномицетов (при получении антибиотиков),

— микромицетов ( при получении лимонной кислоты),

— животных клеток (при изготовлении противовирусных вакцин),

— клеток человека (при изготовлении интерферона) и др.

На молекулярном уровне имеют дело с молекулами, например, с нуклеиновыми кислотами. Однако в конечной стадии молекулярный уровень трансформируется в клеточный.

Клетки микроорганизмов, животных и растений в процессе ассимиляции и диссимиляции образуют новые продукты и выделяют метаболиты разнообразного физико-химического состава и биологического действия.

На каждой стадии «биологического синтеза» клетки можно определить те продукты, которые могут быть использованы в биотехнологии.

Продукты одноклеточных делят на 4 категории:

1. Сами клетки как источник целевого продукта (например, выращенные бактерии или вирусы используют для получения живой или убитой корпускулярной вакцины; дрожжи, как кормовой белок или основу для получения гидролизатов питательных сред и т.д.)

2. Крупные молекулы, которые синтезируются клетками в процессе выращивания: ферменты, токсины, антигены, антитела, пептидогликаны и т.д.

3. Первичные метаболиты – низкомолекулярные вещества (менее 1500 дальтон), необходимы для роста клеток, такие как аминокислоты, витамины, нуклеотиды, органические кислоты.

4. Вторичные метаболиты (идиолиты) – низкомолекулярные соединения, не требующиеся для роста клеток: антибиотики, алкалоиды, токсины, гормоны.

Объекты биотехнологии из микромира варьируют в размерах от нанометров (вирусы, бактериофаги) до миллиметров и сантиметров (гигантские водоросли) и характеризуются относительно быстрым темпом размножения. В современной фармакологии используется очень широкий спектр биообъектов, группировка которых весьма сложна. Она может выполняться на основе принципа их соразмерности.

Последние успехи биологии и генной инженерии привели к появлению совершенно новых биообъектов – трансгенных бактерий (генетически модифицированных), вирусов, грибов, клеток растений, животных, человека и химер.

Биотехнология – междисциплинарная область научно-технического прогресса, возникшая на стыке биологических, химических и технических знаний и призванная к созданию новых биотехнологических процессов, которые в большинстве случаев будут осуществляться при низких температурах, требовать небольшого количества энергии и будут базироваться преимущественно на дешевых субстратах, используемых в качестве первичного сырья.

Из вышесказанного следует, что биотехнология является межотраслевой дисциплиной. Она основана на многопрофильной стратегии для решения различных проблем.

В биотехнологии применяются методы, заимствованные из химии, микробиологии, биохимии, молекулярной биологии, химической технологии и компьютерной техники с целью создания новых разработок. Главная причина успеха развития биотехнологии – стремительное развитие молекулярной биологии. Например, успехи в разработке технологии рекомбинантных молекул ДНК.

Ни для кого не секрет, что ископаемое топливо в один прекрасный день станут крайне ограниченным. Данное обстоятельство заставляет искать новые, более дешевые и лучше сохраняемые источники энергии и питания, которые могли бы восполняться биотехнологическим путем.

Этапы развития биотехнологии.

Биотехнология не является чем-то новым, ранее не известным. Она представляет собой развитие и расширение набора технологических приемов, корни которых появились тысячи лет тому назад.

Биотехнология включает многие традиционные процессы, давно известные и давно используемые человеком. Это пивоварение, хлебопечение, изготовление вина, производство сыра, приготовление многих восточных пряных соусов, а также различные способы утилизации отходов. Начало этого этапа биотехнологии теряется в глубине веков. Он продолжался примерно до XIX века.

Биотехнология формировалась и эволюционировала по мере формирования и развития человеческого общества. Условно в развитии биотехнологии можно выделить 4 этапа.

1. Эмпирический этап (emperikos – опытный от гр.) или доисторический. Это самый длительный период, который охватывает приблизительно 8000 лет (6000 лет до н.э. и около 2000 лет н.э.)

Известно, что шумеры – первые жители Месопотамии (на территории современного Ирака) – создали первую цветущую цивилизацию. Они выпекали хлеб из кислого теста, владели искусством готовить пиво. Приобретенный опыт передавался из поколения в поколение, распространялся среди соседних народов (ассирийцев, вавилонян, египтян и древних индусов). В течение нескольких тысячелетий известен уксус, который готовился в домашних условиях.

Первая дистилляция в виноделии осуществлена в XII веке, водка из хлебных злаков впервые получена в XVI веке, шампанское известно с XVIII века.

Для эмпирического периода характерно получение кисломолочных продуктов, квашенной капусты, медовых алкогольных напитков, силосование кормов.

В 1796 году Э. Дженнер впервые в истории провел прививку человеку коровьей оспы.

2. Этиологический этап(от греч. aitia – причина) – вторая половина XIX века и первая треть XX века (1856 – 1933 гг). Связан с выдающимися исследованиями великого французского ученого Л. Пастера (1822 – 1895) – основоположника научной микробиологии. Пастер установил микробную природу брожения, доказал возможность жизни в бескислородных условиях, создал научные основы вакцинопрофилактики и др.

В 1859 г. – Л. Пастер приготовил жидкую питательную среду, Р. Кох в 1881 году предложил метод культивирования бактерий на стерильных ломтиках картофеля и на агаризованных питательных средах. Как следствие, удалось доказать индивидуальность микробов и получить их в чистых культурах. Достижения 2-го периода:

— 1856г. — Г. Мендель открыл законы доминирования признаков и ввел понятие единицы наследственности в виде дискретного фактора, который передается от родителей потомкам.

— 1869 г. – Ф. Милер выделил «нуклеин» ДНК из лейкоцитов.

— 1883 г. – И. Мечников разработал теорию клеточного иммунитета.

— 1884 г. – Ф. Леффлер изолировал и культивировал возбудителя дифтерии.

— 1892 г. Д. Ивановский открыл вирусы.

— 1893 г. В. Оствальд установил каталитическую функцию ферментов.

— 1902 г. Г. Хаберланд показал возможность культивирования клеток растений в питательных растворах.

— 1912 г. Ц. Нейберг раскрыл механизм процессов брожения.

— 1913 г. Л. Михаэлис и М. Ментен разработали кинетику ферментативных реакций.

— 1926 г. Х. Морган сформулировал хромосомную теорию наследственности.

— 1928 г. Ф. Гриффит описал явление «трансформации» у бактерий.

— 1932 г. М. Кноль, Э. Руска изобрели электронный микроскоп.

На этом этапе во Франции приступили к созданию биоустановок для микробиологической очистки сточных вод.

3. Биотехнический этап –1933г. – 1972 г. Наиболее важные достижения этого этапа:

— Внедрение в практику биореактора (ферментера, аппарата-культиватора);

— Разработка теории электрофореза;

— Обнаружение вирусов с помощью электронного микроскопа;

— Производство пенициллина в промышленных масштабах;

— Процесс конъюгации у E. Coli;

— Разработка вакцины против желтой лихорадки;

— Описание плазмиды как внехромосомного фактора наследственности;

— Расшифровка структуры ДНК;

— Прочитаны первые три буквы генетического кода аминокислоты фенилаланина; и т.д.

4. Геннотехнический периодначался в 1972 году, когда П. Берг создал первую рекомбинацию молекулы ДНК.

—метод получения моноклональных антител;

— метод анализа первичной структуры ДНК путем химической деградации;

— разрешен к применению в США первый диагностический набор моноклональных тел;

— 1982 год – в продажу поступил впервые человеческий инсулин;

— 1986 г. – метод полимеразной цепной реакции;