Этапы развития биотехнологии как науки

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

Дата Открытия и разработки
Допастеровская эра (до 1865 г.) Использование спиртового брожения и молочнокислого брожения для получения пива, вина, хлебопекарных и пивных дрожжей, сыра
1665 г. Р. Хуком описаны клеточные структуры некоторых биологических объектов
1673-1683 гг. А. Левенгук обнаружил одноклеточные микроорганизмы и бактерии
1769-1780 гг. Г.К. Шеле получены органические кислоты (винная, молочная, лимонная, бензойная)
1857 г. Установлено обязательное участие дрожжей в брожении
Послепастеровская эра (1856-1940 гг.) Производство этанола, бутанола, ацетона, глицерина, органических кислот и вакцин. Очистка сточных вод. Производство кормовых дрожжей из углеводов
1865 г. И.Г. Менделем доказаны законы наследственности
1875 г. Р. Кохом разработан метод получения чистых культур микроорганизмов
1894 г. И. Такамине получен первый ферментный препарат, выделенный из гриба, выращенного на влажном рисе
1897 г. Установлено, что бесклеточные экстракты дрожжей способны гидролизовать сахара.
1908 г. И.И. Мечниковым создана единая теория иммунитета
1911-1920 гг. Т.Х. Морганом сформулирована хромосомная теория наследственности
Эра антибиотиков (1941-1960 гг.) Производство пенициллина и других антибиотиков путем глубинной ферментации. Получение вирусных вакцин, микробиологическая трансформация стероидов
1942 г. С. Ваксманом сформулировано учение об антибиотиках
Эра управляемого биосинтеза (1961 г.) Производство аминокислот с помощью микробных мутантов, получение чистых ферментов, промышленное применение иммобилизованных ферментов и клеток
Эра новой биотехнологии Использование генной инженерии для получения новых объектов биосинтеза. Трансплантация эмбрионов
1972 г. П. Бергом разработана технология клонирования ДНК
1994 г. На продовольственном рынке после 10 лет испытаний появился генетически модифицированный устойчивый при хранении томат Flavr Savr («Calgene, Inc., США»)
1999 г. В России зарегистрирована первая генетически модифицированная соя линии 40-3-2 («Monsanto Co., США»)

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.

Читайте также:  Мышечная слабость у пожилых лечение

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.

Читайте также:  Как снять напряжение с мышц шеи и плеч при шейном остеохондрозе

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.

Читайте также:  Алые пятна на теле

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;

Ссылка на основную публикацию
Эриус аналог российский
Аллергия является одним из самых распространённых недугов, поражающих пациентов из всех возрастных групп. В качестве аллергена могут выступать продукты питания,...
Эпилептический психоз симптомы
Эпилептический психоз – комплекс симптомов психопатологического характера, который получает развитие в осложненной форме классической эпилепсии. При этом проявляются такие признаки,...
Эпиляция воском чистые пруды
от 1 850 руб. от 481 руб. 4 купона купили Время продаж ограничено! Поделиться с друзьями 26 августа 2020 Вы...
Эрозивная гастропатия что это такое лечение
АТВмедиа Новости Неновости Видео Афиша Лицо города Коронавирус Поиск Прямой эфир АТВмедиа Неновости Медицина и здоровье Что такое антральный гастрит?...
Adblock detector