Несмотря на то что в настоящее время препараты и продукты, получаемые в процессах промышленной («белой») биотехнологии, главенствуют на рынке биотехнологических продуктов, наиболее впечатляющие успехи и прорывы в этой области связаны с использованием достижений клеточной и генетической инженерии.

Геномика - это направление биотехнологии, занимающееся изучением геномов и ролей, которые играют различные гены, индивидуально и в комплексе, в определении структуры, направлении роста и развития и регуляции биологических функций. Различают структурную и функциональную геномику.

Предмет структурной геномики - создание и сравнение различных типов геномных карт и крупномасштабное секвенирование ДНК. Проект по изучению человеческого генома (Human Genome Project) и менее известная Программа по изучению растительных геномов (Plant Genome Research Program) являются самыми масштабными исследованиями структурной геномики. В задачи структурной геномики входят также идентификация, локализация и составление характеристик генов.

В результате осуществления частных и государственных проектов по структурной геномике созданы карты геномов и расшифрованы последовательности ДНК большого количества организмов, в том числе сельскохозяйственных растений, болезнетворных бактерий и вирусов, дрожжей, необходимых для приготовления некоторых продуктов питания и производства пива, азотфиксирующих бактерий, малярийного плазмодия и переносящих его комаров, а также микроорганизмов, используемых человеком в самых разнообразных промышленных процессах. В 2003 г. завершен Проект по изучению генома человека.

Предмет и область функциональной геномики - секвенирование геномов, идентификация и картирование генов, выявление функций генов и механизмов регуляции. Для понимания различий между видами основную роль играет не знание количества генов, а понимание того, как они различаются по составу и функциям, знание химических и структурных различий в генах, которые и лежат в основе различий организмов. Эволюционный анализ постепенно становится главным приемом выяснения функций и взаимодействий генов в пределах генома.

Благодаря тому, что генетический код универсален и все живые организмы способны расшифровывать генетическую информацию других организмов и осуществлять заложенные в ней биологические функции, любой ген, идентифицированный в ходе того или иного геномного проекта, может быть использован в широком спектре практических приложений:
- для целенаправленного изменения свойств растений и придания им желаемых признаков;
- выделения специфических рекомбинантных молекул или микроорганизмов;
- идентификации генов, участвующих в осуществлении сложных процессов, контролируемых множеством генов, а также зависящих от влияния окружающей среды;
- обнаружения микробных заражений клеточных культур и др.

Протеомика - это наука, занимающаяся изучением структуры, функций, локализации и взаимодействия белков внутри клетки и между клетками. Набор белков клетки называется ее протеомом. По сравнению с геномикой, протеомика ставит перед исследователями гораздо более многочисленные и трудные задачи. Структура белковых молекул гораздо сложнее, чем структура молекул ДНК, которые представляют собой линейные молекулы, состоящие из четырех нерегулярно повторяющихся элементов (нуклеотидов).

Форма, которую принимает белковая молекула, зависит от последовательности аминокислот, однако все механизмы скручивания и складывания аминокислотной цепочки до конца не изучены. Задачей исследователей, работавших над программой Human Genome Project, была разработка методов, которые позволили бы добиться поставленных целей.

Ученые, занимающиеся протеомикой, и сейчас находятся в подобном положении: им необходимо разработать достаточное количество методов и приемов, которые могли бы обеспечить эффективную работу над огромным количеством вопросов:
- каталогизацию всех белков, синтезируемых различными типами клеток;
- выяснение характера влияния возраста, условий окружающей среды и заболеваний на синтезируемые клеткой протеины;
- выяснение функций идентифицированных белков;
- изучение взаимодействий различных белков с другими белками внутри клетки и во внеклеточном пространстве.

Потенциал белковой инженерии позволяет улучшать свойства используемых в биотехнологии белков (ферментов, антител, клеточных рецепторов) и создавать принципиально новые протеины, пригодные в качестве лекарственных препаратов, для обработки и улучшения питательных и вкусовых качеств пищевых продуктов. Наиболее значительны успехи белковой инженерии в биокатализе. Разработаны новые типы катализаторов, в том числе с применением техники иммобилизации ферментов, способные функционировать в неводной среде, при значительных сдвигах рН и температуры среды, а также растворимые в воде и катализирующие биологические реакции при нейтральном рН и при сравнительно низких температурах.

Технологии белковой инженерии позволяют получать новые типы белков биомедицинского назначения, например способных связываться с вирусами и мутантными онкогенами и обезвреживать их; создавать высокоэффективные вакцины и белки-рецепторы клеточной поверхности, выполняющие функцию мишени для фармацевтических препаратов, а также связывания вещества, и биологические агенты, которые могут быть использованы для химических и биологических атак. Так, ферменты гидролазы способны обезвреживать как нервно-паралитические газы, так и используемые в сельском хозяйстве пестициды, а их производство, хранение и применение не опасно для окружающей среды и здоровья людей.

Новейшие биотехнологические методы позволяют диагностировать многие заболевания и патологические состояния экспрессно и с высокой точностью. Так, для постановки стандартного теста определения присутствия в крови липопротеидов низкой плотности («плохого» холестерина) требуется провести три отдельных дорогостоящих анализа: выявление содержания общего холестерина, триглицеридов и липопротеидов высокой плотности. Кроме этого, в течение 12 ч до проведения теста пациенту рекомендуется воздержаться от приема пищи.

Новый биотехнологический тест состоит из одного этапа и не требует предварительного голодания. Эти тесты, помимо быстродействия, существенно снижают стоимость диагностики. К настоящему моменту разработаны и применяются биотехнологические тесты для диагностики некоторых видов опухолевых процессов, требующих для реализации небольшое количество крови, что исключает тотальную биопсию на начальных стадиях диагностики.

Кроме снижения стоимости, повышения точности и скорости диагностики, биотехнология позволяет диагностировать заболевания на гораздо более ранних этапах, чем это было возможно ранее. Это, в свою очередь, обеспечивает гораздо более высокие шансы пациентов на излечение. Новейшие биотехнологические методы протеомики дают возможность идентифицировать молекулярные маркеры, сигнализирующие о приближающейся болезни, еще до появления регистрируемых клеточных изменений и симптомов заболевания.

Огромное количество информации, ставшее доступным в результате успешного завершения проекта «Геном человека», должно сыграть особую роль в разработке методов диагностики наследственных заболеваний, таких как диабет I типа, муковисцидоз, болезни Альцгеймера и Паркинсона. Ранее заболевания этого класса диагностировали только после появления клинических симптомов; новейшие методы позволяют до появления клинических признаков определить группы риска, предрасположенные к заболеваниям такого рода.

Разработанные с помощью биотехнологии диагностические тесты не только повышают уровень диагностики заболеваний, но и улучшают качество медицинского обслуживания. Большинство из биотехнологических тестов портативны, что позволяет врачам проводить тестирование, интерпретировать результаты и назначать соответствующее лечение буквально у постели больного. Биотехнологические методы выявления патогенов важны не только для диагностики заболеваний.

Один из самых наглядных примеров их использования - скрининг донорской крови на наличие ВИЧ-инфекции и вирусов гепатита В и С. Возможно, со временем биотехнологические подходы дадут возможность врачам определять характер инфекционного агента и в каждом конкретном случае подбирать наиболее эффективные антибактериальные препараты не за неделю, как это делается современными методами, а за считанные часы.

Внедрение биотехнологических подходов со временем позволит врачам не только улучшить существующие методы терапии, но и разработать принципиально новые, полностью основанные на новых технологиях. На настоящий момент целый ряд биотехнологических методов лечения одобрен Управлением США по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA). В список заболеваний, подлежащих таким методам терапии, входят: анемия, муковисцидоз, задержка роста, ревматоидный артрит, гемофилия, гепатит, остроконечные кондиломы, отторжение трансплантата, а также лейкемия и ряд других злокачественных заболеваний.

Использование биотехнологических методов позволяет создавать так называемые «съедобные вакцины», синтезируемые генетически модифицированными растениями и животными. Так, созданы генетически модифицированные козы, молоко которых содержит вакцину от малярии. Получены обнадеживающие результаты в клинических испытаниях бананов, содержащих вакцину от гепатита, и картофеля, содержащего вакцины против холеры и патогенных штаммов кишечной палочки. Такие вакцины (например, в виде сублимированного порошка для изготовления напитков), не требующие замораживания, стерилизации оборудования или закупки одноразовых шприцов, особенно перспективны для применения в развивающихся странах.

В процессе разработки также находятся вакцины-пластыри против столбняка, сибирской язвы, гриппа и кишечной палочки. Уже получены трансгенные растения, синтезирующие терапевтические белки (антитела, антигены, факторы роста, гормоны, ферменты, белки крови и коллаген). Эти белки, производимые с помощью различных сортов растений, в том числе люцерны, кукурузы, ряски, картофеля, риса, подсолнечника, сои и табака, являются основными компонентами инновационных методов терапии ряда онкологических заболеваний, СПИДа, болезней сердца и почек, диабета, болезни Альцгеймера, болезни Крона, муковисцидоза, рассеянного склероз, повреждения спинного мозга, гепатита С, хронических обструктивных заболеваний легких, ожирения, онкологических заболеваний и др.

Клеточные технологии находят все более широкое применение для селекции, размножения и повышения продуктивности полезных растений, а также получения биологически активных веществ и лекарственных препаратов.

Н.А. Воинов, Т.Г. Волова

Биотехнология - это производственное использование биологических агентов или их систем для получения ценных продуктов и осуществления целевых превращений.

Биологические агенты в данном случае - микроорганизмы, растительные или животные клетки, клеточные компоненты (мембраны клеток, рибосомы, митохондрии, хлоропласты), а также биологические макромолекулы (ДНК, РНК, белки - чаще всего ферменты). Биотехнология использует также вирусную ДНК или РНК для переноса чужеродных генов в клетки.

Человек использовал биотехнологию многие тысячи лет: люди пекли хлеб, варили пиво, делали сыр, используя различные микроорганизмы, при этом, даже не подозревая об их существовании. Собственно сам термин появился в нашем языке не так давно, вместо него употреблялись слова «промышленная микробиология», «техническая биохимия» и др.

Вероятно, древнейшим биотехнологическим процессом было сбраживание с помощью микроорганизмов. В пользу этого свидетельствует описание процесса приготовления пива, обнаруженное в 1981 г. при раскопках Вавилона на дощечке, которая датируется примерно 6-м тысячелетием до н. э.

В 3-м тысячелетии до н. э. шумеры изготовляли до двух десятков видов пива. Не менее древними биотехнологическими процессами являются виноделие, хлебопечение, и получение молочнокислых продуктов. В традиционном, классическом, понимании биотехнология - это наука о методах и технологиях производства различных веществ и продуктов с использованием природных биологических объектов и процессов.

Термин «новая» биотехнология в противоположность «старой» биотехнологии применяют для разделения биопроцессов, использующих методы генной инженерии и более традиционные формы биопроцессов. Так, обычное производство спирта в процессе брожения – «старая» биотехнология, но использование в этом процессе дрожжей, улучшенных методами генной инженерии с целью увеличения выхода спирта – «новая» биотехнология.

Биотехнология как наука является важнейшим разделом современной биологии, которая, как и физика, стала в конце XX в. одним из ведущих приоритетов в мировой науке и экономике.

Всплеск исследований по биотехнологии в мировой науке произошел в 80-х годах, но, несмотря на столь короткий срок своего существования, биотехнология привлекла пристальное внимание, как ученых, так и широкой общественности. По прогнозам, уже в начале 21 века биотехнологические товары будут составлять четверть всей мировой продукции.

Что касается более современных биотехнологических процессов, то они основаны на методах рекомбинантных ДНК, а также на использовании иммобилизованных ферментов, клеток или клеточных органелл.

Современная биотехнология - это наука о генно-инженерных и клеточных методах создания и использования генетически трансформированных биологических объектов для улучшения производства или получения новых видов продуктов различного назначения.

Основные направления биотехнологии

Условно можно выделить следующие основные направления биотехнологии:

Биотехнология пищевых продуктов;
- биотехнология препаратов для сельского хозяйства;
- биотехнология препаратов и продуктов для промышленного и бытового использования;
- биотехнология лекарственных препаратов;
- биотехнология средств диагностики и реактивов.

Биотехнология также включает выщелачивание и концентрирование металлов, защиту окружающей среды от загрязнения, деградацию токсических отходов и увеличение добычи нефти.

Развитие биотопливного направления

Растительный покров Земли составляет более 1800 млрд. т сухого вещества, что энергетически эквивалентно известным запасам энергии полезных ископаемых. Леса составляют около 68% биомассы суши, травяные экосистемы - примерно 16%, а возделываемые земли - только 8%. Для сухого вещества простейший способ превращения в энергию заключается в сгорании - оно обеспечивает тепло, которое в свою очередь превращается в механическую или электрическую энергию.

Что же касается сырого вещества, то в этом случае древнейшим и наиболее эффективным методом превращения биомассы в энергию является получение биогаза (метана). Метановое «брожение», или биометаногенез, - давно известный процесс превращения биомассы в энергию. Он был открыт в 1776г. Вольтой, который установил наличие метана в болотном газе.

Отходы пищевой промышленности и сельскохозяйственного производства характеризуются высоким содержанием углерода (в случае перегонки свеклы на 1л отходов приходится до 50г углерода), поэтому они лучше всего подходят для метанового «брожения», тем более что некоторые из них получаются при температуре, наиболее благоприятной для этого процесса.

Конференция ООН по науке и технике для развивающихся стран (1979 г.) и эксперты Экономической и социальной комиссии по странам Азии и Тихого океана подчеркнули достоинства сельскохозяйственных программ, использующих биогаз.

Надо отметить, что 38% от 95-миллионного поголовья крупного рогатого скота в мире, 72% остатков сахарного тростника и 95% отходов бананов, кофе и цитрусовых приходятся на долю стран Африки, Латинской Америки, Азии и Ближнего Востока. Не удивительно, что в этих регионах сосредоточены огромные количества сырья для метанового «брожения».

Следствием этого явилась ориентация некоторых стран сельскохозяйственно ориентированной экономикой на биоэнергетику. Производство биогаза путем метанового «брожения» отходов - одно из возможных решений энергетической проблемы в большинстве сельских районов развивающихся стран.

Биотехнология в состоянии внести крупный вклад в решение проблем энергетики также посредством производства достаточно дешевого биосинтетического этанола, который, кроме того, является и важным сырьем для микробиологической промышленности при получении пищевых и кормовых белков, а также белково-липидных кормовых препаратов.

Достижения биотехнологии

С помощью биотехнологии получено множество продуктов для здравоохранения, сельского хозяйства, продовольственной и химической промышленности. Причем важно то, что многие из них не могли быть получены без применения биотехнологических способов. Особенно большие надежды связываются с попытками использования микроорганизмов и культур клеток для уменьшения загрязнения среды и производства энергии.

В молекулярной биологии использование биотехнологических методов позволяет определить структуру генома, понять механизм экспрессии генов, смоделировать клеточные мембраны с целью изучения их функций и т.д.

Конструирование нужных генов методами генной и клеточной инженерии позволяет управлять наследственностью и жизнедеятельностью животных, растений и микроорганизмов и создавать организмы с новыми полезными для человека свойствами, ранее не наблюдавшимися в природе.

Микробиологическая промышленность в настоящее время использует тысячи штаммов различных микроорганизмов. В большинстве случаев они улучшены путем индуцированного мутагенеза и последующей селекции. Это позволяет вести широкомасштабный синтез различных веществ. Некоторые белки и вторичные метаболиты могут быть получены только путем культивирования клеток эукариот. Растительные клетки могут служить источником ряда соединений - атропин, никотин, алкалоиды, сапонины и др.

В биохимии, микробиологии, цитологии несомненный интерес вызывают методы иммобилизации как ферментов, так и целых клеток микроорганизмов, растений и животных. В ветеринарии широко используются такие биотехнологические методы, как культура клеток и зародышей, овогенез in vitro, искусственное оплодотворение.

Все это свидетельствует о том, что биотехнология станет источником не только новых продуктов питания и медицинских препаратов, но и получения энергии и новых химических веществ, а также организмов с заданными свойствами.

Видео: Biotechnology and the Emergence of New Therapeutics.

Биотехнология – новое бурно развивающееся направление биологии. Этапы развития биотехнологии. Основные направления в биотехнологии

1Биотехнология – новая отрасль науки и производства, основанная на использовании биологических процессов и объектов для производства экономически важных веществ и создания высокопродуктивных сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов. В буквальном смысле биотехнология – это «биология + технология», то есть применение фундаментальных биологических знаний в практической деятельности, направленной на производство лекарственных препаратов, ферментов, белков, красителей, ароматических веществ, витаминов и целого ряда биологически активных соединений. Кроме того, речь идет об использовании биотехнологических методов в селекции и конструировании принципиально новых организмов, ранее не существовавших в природе.

Биотехнология растений является самостоятельной дисциплиной, хотя по своим теоретическим и методологическим принципам может рассматриваться как часть общей биотехнологии. Специфика биотехнологии растений предопределена биологическими особенностями растений как особого царства живого мира.

В историческом аспекте человечество всегда использовало растения для получения жизненно важных продуктов. В этом смысле к биотехнологии можно отнести и традиционное растениеводство, и другие агротехнологии. Однако существуют принципиальные различия между биотехнологией и агротехнологией. Как известно, агротехнология имеет дело с целыми растениями и их популяциями, тогда как биотехнология основана на использовании культуры клеток и их популяций.

Следовательно, основным объектом биотехнологии растений являются отдельные клетки, органы, изолированные из целого растения и выращиваемые вне организма на искусственной питательной среде в асептических условиях.

Такие выращиваемые in vitro клетки, ткани, органы называются культурой клеток, тканей, органов – в зависимости от того, что изолируется из растения и культивируется. Однако все эти способы культивирования в последнее время стали называться одним термином «культура клеток растений», ибо в конечном счете культивируемой единицей является клетка.

Клеточные культуры с каждым годом находят все большее применение в самых разнообразных областях биологии, медицины и сельского хозяйства. Их используют при решении таких общебиологических проблем, как выяснение механизмов дифференцировки и пролиферации, взаимодействия клеток со средой, адаптации, старения, биологической подвижности, злокачественной трансформации и многих других. Важную роль клеточные культуры играют в биотехнологии при производстве вакцин и биологически активных веществ. Они являются исходным материалом для создания клеток-продуцентов, используются в целях повышения продуктивности сельскохозяйственных животных и для выведения новых сортов растений. Культуры клеток применяются для диагностики и лечения наследственных заболеваний, в качестве тест-объектов при испытании новых фармакологических веществ, а также для сохранения генофонда исчезающих видов животных и растений.

Биотехнология – это управляемое получение для народного хозяйства, а также для медицины целевых продуктов с помощью биологических агентов: микроорганизмов, вирусов клеток животных и растений, а также с помощью внеклеточных веществ и компонентов клетки. Биотехнология имеет глубокие исторические корни, а за последние 10-15 лет бурного развития оформилась как отдельная отрасль науки и производства.

Основными компонентами биотехнологического процесса являются: биологический агент, субстрат, целевой продукт, аппаратура и совокупность методов для управления процессом.

Биотехнологическая отрасль является одной из самых бурно развивающихся и является важным критерием для оценки уровня научно-исследовательского потенциала цивилизованной страны. Наглядное свидетельство того, что основой очередной волны экономического развития станут различные отрасли биотехнологии (сельскохозяйственная, пищевая, медицинская), - динамика курса акций соответствующих компаний. До недавнего времени биотехнологический бизнес мало выделялся из общей группы высоких технологий, однако нестабильность компьютерных магнатов и ряда крупных концернов торгующих природными ресурсами изменило мнение экономических аналитиков.

Котировка акций биотехнологических компаний оказались мене подвержены падению, так как продукция полученная на основе клеточных технологий нова и перспективна. Инвестиции в биосектор привели к беспрецендентному технологическому рывку. В Германии и Франции начаты крупномасштабные полевые испытания генетически модифицированных сортов кукурузы. Японские биотехнологии получили генетически модифицированную кукурузу, устойчивую к насекомым-вредителям. Некоторые компании находятся на грани создания революционных препаратов для различных видов рака, в первую очередь лейкемии. Три года назад одной американской компанией было вложено большое количество денег в биотехнологическую лабораторию в Калифорнии и теперь по данным представителей компании они близки к созданию средств извлечения ряда серьезных недугов, например, болезни Альцгеймера.

2Термин биотехнология произошел от греческих слов: «биос» и «техне». «Биос» – жизнь, «техне» - вить прясть, делать что-то своими руками. Значит, биотехнология – это производство с помощью живых существ, совокупность промышленных методов, использующих живые организмы и биологические процессы для производства различных продуктов.

Биотехнология - это интегрированное использование биохимии, микробиологии и инженерных наук с целью достижения промышленного применения способностей микроорганизмов, культур клеток тканей и их частей. Объекты биотехнологии – микробы (грибы, бактерии, вирусы, простейшие) или клетки других организмов (растения, животные), биологически активные вещества специального назначения (иммобилизованные ферменты, катализирующие синтез или распад).

Типичные методы биотехнологии - крупномасштабное глубинное культивирование биообъектов в периодическом или непрерывном режиме, выращивание клеток растительных и животных тканей в особых условиях.

3 Развитие биотехнологии в огромной степени определяется исследованиями в области микробиологии, биохимии, энзимологии и генетики организмов. Современная биотехнология как наука возникла в начале сороковых годов и получила ускоренное развитие с 1953 г., после эпохального открытия Джеймса Уотсона и Френсиса Крика о химической структуре и пространственой организации двойной спирали молекулы ДНК. Новое стратегическое ее направление – генетическая инженерия – родилось к 1972 г., когда в лаборатории Поля Берга впервые была синтезирована рекомбинантная молекула ДНК, что окончательно закрепило за биотехнологией и ее центральным звеном – биоинженерией (ядерной биологией) – важнейшее место в современной науке.

«Межпиковые» работы выдающихся биологов Г. Бойера, С. Коэна, Д. Морра, А.Баева, А.Белозерского, О. Эйвери, Г. Гамова, Ф. Жакоба, Ж.Моно и др. дополнили последовательный ряд важнейших открытий по идентификации генов и ферментов, выделению молекул ДНК из растительных, микробных и животных клеток, расшифровке генетического кода, а также механизмов экспрессии генов и биосинтеза белка у прокариот и эукариот.

В 50-е годы в биотехнологии возникает еще одно важное направление – клеточная инженерия. Основателями его являются П.Ф.Уайт (США) и Р. Готре (Франция). В последующие годы в институте физиологии растений СССР, а затем Российской Академии наук под руководством А.А.Курсанова, Р.Г. Бутенко были развернуты исследования в этой области с привлечением многих молодых ученых страны.

Генетическая и клеточная инженерия определили главные направления современной биотехнологии, методы которой получили широкое развитие в 80-е годы и используются во многих областях науки и производства в нашей стране и за рубежом.

Биотехнология как наука может рассматриваться в двух временных и сущностных измерениях: современном и традиционном, классическом.

Новейшая биотехнология (биоинженерия) – это наука о генно-инженерных и клеточных методах и технологиях создания и использования генетически трансформированных (модифицированных) растений, животных и микроорганизмов в целях интенсификации производства и получения новых видов продуктов различного назначения.

В традиционном, классическом смысле биотехнологию можно определить как науку о методах и технологиях производства, транспортировки, хранения и переработки сельскохозяйственной и другой продукции с использованием обычных, нетрансгенных (природных и селекционных) растений, животных и микроорганизмов, в естественных и искусственных условиях.

Высшим достижением новейшей биотехнологии является генетическая трансформация, перенос чужеродных (природных или искусственно созданных) донорских генов в клетки-реципиенты растений, животных и микроорганизмов, получение трансгенных организмов с новыми или усиленными свойствами и признаками. По своим целям и возможностям в перспективе это направление является стратегическим. Оно позволяет решать принципиально новые задачи по созданию растений, животных и микроорганизмов с повышенной устойчивостью к стрессовым факторам среды, высокой продуктивностью и качеством продукции, по оздоровлению экологической обстановки в природе и всех отраслях производства.

Для достижения этих целей предстоит преодолеть определенные трудности в повышении эффективности генетической трансформации и, прежде всего, в идентификации и клонировании генов, создании их банков, расшифровке механизмов полигенной детерминации признаков и свойств биологических объектов, создании надежных векторных систем и обеспечении высокой устойчивости экспрессии генов. Уже сегодня во многих лабораториях мира с помощью методов генетической инженерии созданы принципиально новые трансгенные растения, животные и микроорганизмы, используемые в коммерческих целях.

Лекция по биотехнологии №1

Введение в биотехнологию. Экологическая, сельскохозяйственная, промышленная биотехнология.

Биотехнологическое получение белков, ферментов, антибиотиков витаминов, интерферона.

Вопрос №1

Человек с древнейших времен использовал биотехнологии в виноделии, пивоварении или хлебопечении. Но процессы, лежащие в основе этих производств, долго оставались загадочными. Их природа прояснилась лишь в конце XIX - начале ХХ века, когда были разработаны методы культивирования микроорганизов, пастеризации, выделены чистые линии бактерий и ферменты. Для обозначения наиболее тесно связанных с биологией разнообразных технологий раньше использовали такие наименования, как «прикладная микробиология», «прикладная биохимия», «технология ферментов», «биоинженерия», «прикладная генетика», «прикладная биология». Это привело к возникновению новой отрасли - биотехнологической.

Французский химик Луи Пастер в 1867 году доказал, что брожение - это результат жизнедеятельности микроорганизмов. Немецкий биохимик Эдуард Бухнер уточнил, что оно вызывается и бесклеточным экстрактом, содержащим ферменты, катализирующие химические реакции. Использование чистых ферментов для переработки сырья послужило толчком к развитию зимологии. Например, альфа-амилаза требуется для расщепления крахмала.

В это же время сделаны важные открытия в области нарождавшейся генетики, без которой была бы немыслима биотехнология современного уровня. В 1865 году австрийский монах Грегор Мендель ознакомил Брюннское общество естествоиспытателей со своими «Опытами над растительными гибридами», в которых он описал законы передачи наследственности. В 1902 году биологи Уолтер Саттон и Теодор Бовери предположили, что передача наследственности связана с материальными носителями - хромосомами. Уже тогда было известно, что живой организм состоит из клеток. Немецкий патолог Рудольф Вирхов дополняет клеточную теорию принципом «каждая клетка - из клетки». А опыты ботаника Готлиба Хаберландта продемонстрировали, что клетка может существовать в искусственной среде и отдельно от организма. Эксперименты последнего привели к открытию роли витаминов, минеральных добавок и гормонов.

Потом было слово

Годом рождения самого термина «биотехнология» принято считать 1919-й, когда был опубликован манифест «Биотехнология переработки мяса, жиров и молока на больших сельскохозяйственных фермах». Его автор - венгерский агроэкономист, в то время министр продовольствия Карл Эреки. Манифест описывал переработку сельскохозяйственного сырья в другие пищевые продукты с помощью биологических организмов. Эреки предсказывал новую эпоху в истории человечества, сравнивая открытие этого метода с величайшими технологическими революциями прошлого: появлением производящего хозяйства в эпоху неолита и металлургии в бронзовом веке. Но до конца 1920-х годов под биотехнологией подразумевалось лишь использование микроорганизмов для ферментации. В 1930-е развивается медицинская биотехнология. Открытый в 1928 году Александером Флемингом пенициллин, производимый из грибков Penicillium notatum, уже в 1940-х годах начал выпускаться в промышленных масштабах. А в конце 1960-х - начале 1970-х годов была сделана попытка объединить пищевую промышленность с нефтеперерабатывающей. Компания British Petroleum разработала технологию бактериального синтеза кормового белка из отходов нефтепромышленности.

В 1953 году было совершено открытие, которое вызвало впоследствии переворот в биотехнологии: Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик расшифровали структуру ДНК. И в 1970-х годах к биотехнологическим приемам добавилось манипулирование наследственным материалом. Буквально за два десятилетия были открыты все необходимые для этого инструменты: выделена обратная транскриптаза - фермент, который позволяет «переписывать» генетический код из РНК обратно в ДНК, открыты ферменты для разрезания ДНК, а также полимеразная цепная реакция для многократного воспроизводства отдельных фрагментов ДНК.

В 1973 году создан первый генетически рекомбинантный организм: в бактерию был перенесен генетический элемент от лягушки. Началась эра генетической инженерии, которая едва сразу же не закончилась: в 1975 году в городе Асиломар (США) на Международном конгрессе, посвященном изучению рекомбинантных ДНК-молекул, впервые были высказаны опасения относительно применения новых технологий.

«Тревогу забили не политики, не религиозные группы и не журналисты, как можно было бы ожидать. Это были сами ученые, - вспоминал Пол Берг, один из организаторов конференции и пионер создания рекомбинантных молекул ДНК. - Многие ученые опасались, что общественные дебаты приведут к неоправданным ограничениям на молекулярную биологию, но они поощряли ответственную дискуссию, приведшую к консенсусу». Участники конгресса выступили за мораторий на ряд потенциально опасных исследований.

Тем временем от биотехнологии и генетической инженерии отпочковалась синтетическая биология, которая занимается дизайном новых биологических компонентов и систем и редизайном уже существующих. Первой ласточкой синтетической биологии стал искусственный синтез транспортной РНК в 1970 году, а сегодня возможен уже синтез целых геномов из элементарных структур. В 1978 году фирма Genentech сконструировала в лаборатории бактерию Е.coli, синтезирующую человеческий инсулин. С этого момента генетическая рекомбинация окончательно входит в арсенал биотехнологии и считается едва ли не ее синонимом. Одновременно был осуществлен первый перенос новых генов в геномы животной и растительной клетки. Нобелевский лауреат 1980 года Уолтер Гилберт заявил: «Мы можем получить для медицинских целей или для коммерческого применения фактически любой человеческий белок, способный влиять на важные функции человеческого тела».

В 1985 году проходят первые полевые испытания трансгенных растений, устойчивых к гербицидам, насекомым, вирусам и бактериям. Появляются патенты на растения. Начинается расцвет молекулярной генетики, бурно развиваются аналитические методы, такие как секвенирование, то есть определение первичной последовательности белков и нуклеиновых кислот.

В 1995 году на рынок было выпущено первое трансгенное растение (томат Flavr Savr), а уже к 2010 году трансгенные сельскохозяйственные культуры выращивали в 29 странах на 148 миллионах гектаров (10% от общей площади возделываемых земель). В 1996 году на свет появляется первое клонированное животное - овца Долли. К 2010 году было клонировано больше 20 видов животных: коты, собаки, волки, лошади, свиньи, муфлоны.

Направления биотехнологии и получаемые с ее помощью продукты

Технологии и биотехнологии

Технология - это способы и приемы, используемые для получения из исходного материала (сырья) некоторого продукта. Очень часто для получения одного продукта требуется не один, а несколько источников сырья, не один способ или прием, а последовательность нескольких. Все многообразие технологий можно подразделить на три основных класса:

Физико-механические технологии;

Химические технологии;

Биотехнологии.

В физико-механических технологиях исходный материал (сырье) в процессе получения продукта меняет форму или агрегатное состояние без изменения своего химического состава (например, технология переработки древесины для производства деревянной мебели, различные методы получения металлических изделий: гвоздей, деталей машин и др.).

В химических технологиях в процессе получения продукта сырье претерпевает изменения химического состава (например, получение полиэтилена из природного газа, спирта - из природного газа или древесины, синтетического каучука - из природного газа).

Биотехнология как наука может рассматриваться в двух временных и сущностных измерениях: современном и традиционном, классическом.

Новейшая биотехнология (биоинженерия) - это наука о генно-инженерных и клеточных методах и технологиях создания и использования генетически трансформированных (модифицированных) растений, животных и микроорганизмов в целях интенсификации производства и получения новых видов продуктов различного назначения.

В традиционном, классическом смысле биотехнологию можно определить как науку о методах и технологиях производства, транспортировки, хранения и переработки сельскохозяйственной и другой продукции с использованием обычных, нетрансгенных (природных и селекционных) растений, животных и микроорганизмов, в естественных и искусственных условиях.

Высшим достижением новейшей биотехнологии является генетическая трансформация , перенос чужеродных (природных или искусственно созданных) донорских генов в клетки-реципиенты растений, животных и микроорганизмов, получение трансгенных организмов с новыми или усиленными свойствами и признаками.

Цель биотехнологических исследований - повышение эффективности производства и поиск биологических систем, с помощью которых можно получить целевой продукт.

Биотехнология дает возможность воспроизводить нужные продукты в неограниченных количествах, применяя новые технологии, позволяющие переносить гены в клетки-продуценты или в целый организм (трансгенные животные и растения), синтезировать пептиды, создавать искусственные вакцины.

Основные направления развития биотехнологии

Расширение сфер применения биотехнологии существенно влияет на повышение уровня жизни человека (рис. 1.2). Быстрее всего внедрение биотехнологических процессов дает результаты в медицине, но, по мнению многих специалистов, основной экономический эффект будет получен в сельском хозяйстве и химической промышленности.

Микрочипы, клеточные культуры, моноклональные антитела и белковая инженерия - это лишь небольшая часть современных биотехнологических приемов, используемых на разных стадиях разработки многих видов продукции. Понимание молекулярных основ биологических процессов дает возможность значительно сократить затраты на разработку и подготовку производства определенного продукта, а так-же повысить его качество. Например, сельскохозяйственныебиотехнологические компании, создающие устойчивые к насекомым сорта растений, могут измерять количество защитного белка в клеточной культуре и не тратить ресурсы на выращивание самих растений; фармакологические компании могут использовать клеточные культуры и микрочипы для проверки безопасности и эффективности препаратов, а также для выявления возможных побочных эффектов на ранних стадиях получения лекарственных средств.

Генетически модифицированные животные, в организмах которых происходят процессы, отражающие физиологию различных человеческих заболеваний, обеспечивают ученых вполне адекватными моделями для проверки действия того или иного вещества на организм. Это также позволяет компаниям выявлять наиболее безопасные и эффективные препараты на более ранних стадиях разработки.

Все это свидетельствует о важном значении биотехнологии и широких возможностях ее применения в различных отраслях народного хозяйства. Какие же направления являются наиболее приоритетными в этой области? Рассмотрим их.

1. Повышение безопасности биотехнологического производства для человека и окружающей среды . Требуется создание таких рабочих систем, которые будут функционировать только в строго контролируемых условиях. Например, штаммы кишечной палочки, используемые в биотехнологии, лишены надмембранных структур (оболочек); такие бактерии просто не могут существовать вне лабораторий или вне специальных технологических установок. Повышенной безопасностью обладают и многокомпонентные системы, каждая из которых не способна к самостоятельному существованию.

2. Снижение доли отходов производственной деятельности человека . Отходами производства называются его побочные продукты, которые не могут использоваться человеком или другими компонентами биосферы и применение которых нерентабельно или сопряжено с каким-то риском. Такие отходы накапливаются в пределах производственных помещений (территорий) или выбрасываются в окружающую среду. Следует стремиться к изменению соотношения «полезный продукт/отходы» в пользу полезного продукта. Этого достигают различными способами. Во-первых, отходам необходимо найти полезное применение. Во-вторых, их можно направить на вторичную переработку, создав замкнутый технологический цикл. И наконец, можно изменить саму рабочую систему так, чтобы уменьшить долю отходов.

3. Снижение энергетических затрат на производство продукта, т. е. внедрение энергосберегающих технологий. Принципиальное решение этой проблемы возможно в первую очередь за счет использования возобновляемых источников энергии. Например, годовое потребление энергии ископаемого топлива соизмеримо с объемом чистой валовой продукции всех фотосинтезирующих организмов на Земле. Для трансформации солнечной энергии в формы, доступные для современных силовых установок, создаются (в том числе методами клеточной инженерии) энергетические плантации быстрорастущих растений. Полученная биомасса используется для производства целлюлозы, биотоплива, а также биогумуса. Всесторонние выгоды подобных технологий очевидны. Использование методов клеточной инженерии для постоянного обновления посадочного материала обеспечивает получение в кратчайшие сроки большого количества растений, свободных от вирусов и микоплазм; при этом отпадает необходимость создания маточных плантаций. Снижается нагрузка на естественные насаждения древесных растений (в значительной мере они вырубаются для получения целлюлозы и топлива), уменьшаются потребнотси в ископаемом топливе (в общем-то, оно является экологически неблагоприятным, поскольку при его сжигании образуются недоокисленные вещества). При использовании биотоплива образуются углекислый газ и водяные пары, которые поступают в атмосферу, а затем вновь связываются растениями на энергетических плантациях.

4. Создание многокомпонентных растительных систем. Качество сельскохозяйственной продукции значительно ухудшается при применении минеральных удобрений и ядохимикатов, которые наносят колоссальный ущерб природным экосистемам. Преодолеть негативные последствия химизации сельскохозяйственного производства можно различными способами. Прежде всего необходимо отказаться от монокультур, т. е. от использования ограниченного набора биотипов (сортов, пород, штаммов). Недостатки монокультуры были выявлены еще в конце XIX столетия; они очевидны. Во-первых, в монокультуре возрастают конкурентные отношения между выращиваемыми организмами; в то же время монокультура оказывает лишь одностороннее воздействие на конкурирующие организмы (сорняки). Во-вторых, происходит избирательный вынос элементов минерального питания, что ведет к деградации почв. И наконец, монокультура неустойчива к патогенам и вредителям. Поэтому в течение XX в. она поддерживалась за счет исключительно высокой интенсивности производства. Разумеется, использование монокультур интенсивных сортов (пород, штаммов) упрощает разработку технологии производства продукции. Например, с помощью высоких технологий созданы сорта растений, устойчивые к определенному пестициду, который при возделывании именно данных сортов можно применять в высоких дозах. Однако в этом случае возникает вопрос безопасности такой рабочей системы для человека и окружающей среды. Кроме того, рано или поздно появятся расы патогенов (вредителей), устойчивые к данному пестициду.

Следовательно, необходим планомерный переход от монокультуры к многокомпонентным (поликлональным) композициям, включающим разные биотипы культивируемых организмов. Многокомпонентные композиции должны включать организмы с разным ритмом развития, с различным отношением к динамике физико-химических факторов среды, к конкурентам, патогенам и вредителям. В генетически гетерогенных системах возникают компенсаторные взаимодействия особей с различными генотипами, снижающие уровень внутривидовой конкуренции и автоматически увеличивающие давление культивируемых организмов на конкурирующие организмы других видов (сорняки). По отношению к патогенам и вредителям такая гетерогенная экосистема характеризуется коллективным групповым иммунитетом, который определяется взаимодействием множества структурных и функциональных особенностей отдельных био-типов.

5. Разработка новых препаратов для медицины . В настоящее время ведутся активные исследования в области медицины: создаются различные типы новых препаратов - целевые и индивидуальные.

Целевые препараты . Основными причинами онкологических заболеваний являются неконтролируемое деление клеток и нарушение процессов апоптоза. Действие препаратов, предназначенных для их устранения, может быть направлено на любую из молекул или клеточных структур, участвующих в этих процессах. Исследования, проведенные в области функциональной геномики, уже предоставили нам информацию о молекулярных изменениях, происходящих в предраковых клетках. На основе полученных данных можно создавать диагностические тесты для выявления молекулярных маркеров, сигнализирующих о начале онкологического процесса до того, как появляются первые видимые нарушения клеток или проявляются симптомы заболевания.

Большинство химиотерапевтических препаратов воздействует на белки, участвующие в процессе деления клетки. К сожалению, при этом погибают не только злокачественные клетки, но часто и нормальные делящиеся клетки организма, такие, как клетки системы кроветворения и волосяных фолликул. Чтобы предупредить появление этого побочного эффекта, некоторые компании начали разработку препаратов, которые останавливали бы клеточные циклы здоровых клеток непосредственно перед введением дозы химиотерапевтического агента.

Индивидуальные препараты . На сегодняшнем этапе развития науки начинается эпоха индивидуализированной медицины, в которой генетические различия пациентов будут учитываться для наиболее эффективного применения лекарств. Используя данные функциональной геномики, можно выявлять генетические варианты, отвечающие за предрасположенность конкретных пациентов к отрицательным побочным эффектам одних препаратов и за восприимчивость - к другим. Такой индивидуальный терапевтический подход, базирующийся на знании генома пациента, получил название фармакогеномики.

ВВЕДЕНИЕ

1.1. Общие положения

Законом Российской Федерации «О ветеринарии» определены ос­новные задачи ветеринарной медицины «в области научных знаний и практической деятельности, направленные на предупреждение бо­лезней животных и их лечение, выпуск полноценных и безопасных в ветеринарном отношении продуктов животноводства и защиту насе­ления от болезней, общих для человека и животных».

Решение целого ряда этих задач осуществляется методами био­технологии.

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

До тех пор, пока всеобъемлющий термин «биотехнология» не 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.

Использование научных достижений в биотехнологии осуществ­ляется на самом высоком уровне современной науки. Только биотех­нология создает возможность получения разнообразных веществ и соединений из сравнительно дешевых, доступных и возобновляе­мых материалов.

В отличие от природных веществ и соединений, искусственно син­тезируемые требуют больших капиталовложений, плохо усваивают­ся организмами животных и человека, имеют высокую стоимость.

Биотехнология использует микроорганизмы и вирусы, которые в процессе своей жизнедеятельности вырабатывают естественным пу­тем необходимые нам вещества - витамины, ферменты, аминокис­лоты, органические кислоты, спирты, антибиотики и др. биологи­чески активные соединения.

Живая клетка по своей организационной структуре, слаженности процессов, точности результатов, экономичности и рациональности превосходит любой завод.

В настоящее время микроорганизмы используются, в основном, в трех видах биотехнологических процессов:

Для производства биомассы;

Для получения продуктов метаболизма (например, этанола, ан­тибиотиков, органических кислот и др.);

Для переработки органических и неорганических соединений как природного, так и антропогенного происхождения.

Главная задача первого вида процессов, которую сегодня призва­но решать биотехнологическое производство - ликвидация белково­го дефицита в кормах сельскохозяйственных животных и птиц, т.к. в белках растительного происхождения имеется дефицит аминокис­лот и, прежде всего, особо ценных, так называемых незаменимых.

Основным направлением второй группы биотехнологических про­цессов в настоящее время является получение продуктов микробно­го синтеза с использованием отходов различных производств, вклю­чая пищевую, нефте- и деревоперерабатывающую промышленности и т.д.

Биотехнологическая переработка различных химических соеди­нений направлена, главным образом, на обеспечение экологического равновесия в природе, переработку отходов деятельности человече­ства и максимальное снижение негативного антропогенного воздей­ствия на природу.

В промышленном масштабе биотехнология представляет индуст­рию, в которой можно выделить следующие отрасли:

Производство полимеров и сырья для текстильной промышлен­ности;

Получение метанола, этанола, биогаза, водорода и использова­ние их в энергетике и химической промышленности;

Производство белка, аминокислот, витаминов, ферментов и т.д. путем крупномасштабного выращивания дрожжей, водорослей, бак­терий;

Увеличение продуктивности сельскохозяйственных растений и животных;

Получение гербицидов и биоинсектицидов;

Широкое внедрение методов генной инженерии при получении новых пород животных, сортов растений и выращивания тканевых клеточных культур растительного и животного происхождения;

Переработка производственных и хозяйственных отходов, сточ­ных вод, изготовление компостов с применением микроорганизмов;

Утилизация вредных выбросов нефти, химикатов, загрязняющих почву и воду;

Производство лечебно-профилактических и диагностических пре­паратов (вакцин, сывороток, антигенов, аллергенов, интерферонов, антибиотиков и др.).

Практически все биотехнологические процессы тесно связаны с жизнедеятельностью различных групп микроорганизмов - бактерий, вирусов, дрожжей, микроскопических грибов и т.п., и имеют ряд ха­рактерных особенностей:

1. Процесс микробного синтеза, как правило, является частью мно­гостадийного производства, причем целевой продукт стадии биосин­теза часто не является товарным и подлежит дальнейшей переработ­ке.

2. При культивировании микроорганизмов обычно необходимо под­держивать асептические условия, что требует стерилизации оборудо­вания, коммуникаций, сырья и др.

3. Культивирование микроорганизмов осуществляют в гетероген­ных системах, физико-химические свойства которых в ходе процесса могут существенно изменяться.

4. Технологический процесс характеризуется высокой вариабель­ностью из-за наличия в системе биологического объекта, т.е. популя­ции микроорганизмов.

5. Сложность и многофакторность механизмов регуляции роста микроорганизмов и биосинтеза продуктов метаболизма.

6. Сложность и в большинстве случаев отсутствие информации о качественном и количественном составе производственных питатель­ных сред.

7. Относительно низкие концентрации целевых продуктов.

8. Способность процесса к саморегулированию.

9. Условия, оптимальные для роста микроорганизмов и для био­синтеза целевых продуктов, не всегда совпадают.

Микроорганизмы потребляют из окружающей среды вещества, растут, размножаются, выделяют жидкие и газообразные продукты метаболизма, тем самым реализуя те изменения в системе (накопле­ние биомассы или продуктов метаболизма, потребление загрязняю­щих веществ), ради которых проводят процесс культивирования. Сле­довательно, микроорганизм можно рассматривать как центральный элемент биотехнологической системы, определяющий эффективность ее функционирования.

1.2. История развития биотехнологии

За последние 20 лет биотехнология, благодаря своим специфичес­ким преимуществам перед другими науками, совершила решитель­ный прорыв на промышленный уровень, что в немалой степени обя­зано также развитию новых методов исследований и интенсифика­ции процессов, открывших ранее неизвестные возможности в полу­чении биопрепаратов, способов выделения, идентификации и очист­ки биологически активных веществ.

Биотехнология формировалась и эволюционировала по мере фор­мирования и развития человеческого общества. Ее возникновение, становление и развитие условно можно подразделить на 4 периода.

1. Эмпирический период или до­исторический - самый длительный, охватывающий примерно 8000 лет, из которых более 6000 лет до н.э. и около 2000 лет н.э. Древние народы того времени интуитивно использовали приемы и способы изготовления хлеба, пива и некоторых других продуктов, которые теперь мы относим к разряду биотехнологических.

Известно, что шумеры - первые жители Месопотамии (на терри­тории современного Ирака) создали цветущую в те времена 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 древние индусов). В течение нескольких тысячеле­тий известен уксус, издревле приготавливавшийся в домашних усло­виях. Первая дистилляция в виноделии осуществлена в XII в.; водку из хлебных злаков впервые получили в XVI в.; шампанское известно с XVIII в.

К эмпирическому периоду относятся получение кисломолочных продуктов, квашеной капусты, медовых алкогольных напитков, си­лосование кормов.

Таким образом, народы исстари пользовались на практике био­технологическими процессами, ничего не зная о микроорганизмах. Эмпиризм также был характерен и в практике использования полез­ных растений и животных.

В 1796 г. произошло важнейшее событие в биологии - Э. Дженнером были проведены первые в истории прививки человеку коровьей оспы.

2. Этиологический период в развитии биотехнологии охватывает вторую половину XIX в. и первую треть XX в. (1856 - 1933 гг.). Он связан с выдающимися исследованиями великого французского ученого Л. Пастера (1822 - 95) - основопо­ложника научной микробиологии.

Пастер установил микробную природу брожения, доказал возмож­ность жизни в бескислородных условиях, создал научные основы вакцинопрофилактики и др.

В этот же период творили его выдающиеся ученики, сотрудники и коллеги: Э. Дюкло, Э. Ру, Ш.Э. Шамберлан, И.И. Мечников; Р. Кох, Д. Листер, Г. Риккетс, Д. Ивановский и др.

В 1859 г. Л. Пастер приготовил жидкую питательную среду, Р. Кох в 1881 г. предложил метод культивирования бактерий на стерильных ломтиках картофеля и на агаризованных питательных средах. И, как следствие этого, удалось доказать индивидуальность микробов и получить их в чистых культурах. Более того, каждый вид мог быть размножен на питательных средах и использован в целях воспроиз­ведения соответствующих процессов (бродильных, окислительных и др.).

Среди достижений 2-й периода особо стоит отметить следующие:

1856 - чешский монах Г. Мендель открыл законы доминирова­ния признаков и ввел понятие единицы наследственности в виде дис­кретного фактора, который передается от родителей потомкам;

1869 - Ф. Милер выделил «нуклеин» (ДНК) из лейкоцитов;

1883 - И. Мечников разработал теорию клеточного иммунитета;

1984 - Ф. Леффлер изолировал и культивировал возбудителя дифтерии;

1892 - Д.Ивановский открыл вирусы;

1893 - В. Оствальд установил каталитическую функцию ферментов;

1902 - Г. Хаберланд показал возможность культивирования кле­ток растений в питательных растворах;

1912 - Ц. Нейберг раскрыл механизм процессов брожения;

1913 - Л. Михаэлис и М. Ментен разработали кинетику фермен­тативных реакций;

1926 - X. Морган сформулировал хромосомную теорию наслед­ственности;

1928 - Ф. Гриффит описал явление «трансформации» у бакте­рий;

1932 - М. Кнолль и Э. Руска изобрели электронный микроскоп.
В этот период было начато изготовление прессованных пищевых

дрожжей, а также продуктов их метаболизма - ацетона, бутанола, лимонной и молочной кислот, во Франции приступили к созданию биоустановок для микробиологической очистки сточных вод.

Тем не менее, накопление большой массы клеток одного возраста оставалось исключительно трудоемким процессом. Вот почему тре­бовался принципиально иной подход для решения многих задач в области биотехнологии.

3. Биотехнический период - начался в 1933 г. и длился до 1972 г.

В 1933 г. А. Клюйвер и А.Х. Перкин опубликовали работу «Мето­ды изучения обмена веществ у плесневых грибов», в которой изло­жили основные технические приемы, а также подходы к оценке по­лучаемых результатов при глубинном культивировании грибов. Началось внедрение в биотехнологию крупномасштабного герметизи­рованного оборудования, обеспечивающего проведение процессов в стерильных условиях.

Особенно мощный толчок в развитии промышленного биотехно­логического оборудования был отмечен в период становления и раз­вития производства антибиотиков (время второй мировой войны 1939-1945 гг., когда возникла острая необходимость в противомикробных препаратах для лечения больных с инфицированными ранами).

Все прогрессивное в области биотехнологических и технических дисциплин, достигнутое к тому времени, нашло свое отражение в биотехнологии:

1936 - были решены основные задачи по конструированию, со­зданию и внедрению в практику необходимого оборудования, в том числе главного из них - биореактора (ферментера, аппарата-культи­ватора);

1942 - М. Дельбрюк и Т. Андерсон впервые увидели вирусы с помощью электронного микроскопа;

1943 - пенициллин произведен в промышленных масштабах;

1949 - Дж. Ледерберг открыл процесс конъюгации у Е. colly ;

1950 - Ж. Моно разработал теоретические основы непрерывно­го управляемого культивирования микробов, которые развили в сво­их исследованиях М. Стефенсон, И. Молек, М. Иерусалимский,
И. Работнова, И. Помозгова, И. Баснакьян, В. Бирюков;

1951 - М. Тейлер разработал вакцину против желтой лихорадки;

1952 - У. Хейс описал плазмиду как внехромосомный фактор наследственности;

1953 - Ф. Крик и Дж. Уотсон расшифровали структуру ДНК. Это стало побудительным мотивом для разработки способов крупномас­штабного культивирования клеток различного происхождения для получения клеточных продуктов и самих клеток;

1959 - японские ученые открыли плазмиды антибиотикоустойчивости (К-фактор) у дизентерийной бактерии;

1960 - С. Очоа и А. Корнберг выделили белки, которые могут «сшивать» или «склеивать» нуклеотиды в полимерные цепочки, син­тезируя тем самым макромолекулы ДНК. Один из таких ферментов был выделен из кишечной палочки и назван ДНК-полимераза;

1961 - М. Ниренберг прочитал первые три буквы генетического
кода для аминокислоты фенилаланина;

1962 - X. Корана синтезировал химическим способом функцио­нальный ген;

1969 - М. Беквит и С. Шапиро выделили ген 1ас-оперона у Е. colly ;

- 1970 - выделен фермент рестриктаза (рестриктирующая эндонуклеаза).

4. Геннотехнический период начался с 1972 г., когда П. Берг создал первую рекомбинацию молекулы ДНК, тем самым показав возмож­ность направленных манипуляцией с генетическим материалом бак­терий.

Естественно, что без фундаментальной работы Ф. Крика и Дж. Уотсона по установлению структуры ДНК было бы невозможно дос­тигнуть современных результатов в области биотехнологии. Выяс­нение механизмов функционирования и репликации ДНК, выделе­ние и изучение специфичных ферментов привело к формированию строго научного подхода к разработке биотехнических процессов на основе генноинженерных манипуляций.

Создание новых методов исследований явилось необходимой пред­посылкой развития биотехнологии в 4-ом периоде:

1977 - М. Максам и У. Гилберт разработали метод анализа пер­вичной структуры ДНК путем химической деградации, а Дж. Сэнгер
- путем полимеразного копирования с использованием терминиру­ющих аналогов нуклеотидов;

1981 - разрешен к применению в США первый диагностичес­кий набор моноклональных антител;

1982 - поступил в продажу человеческий инсулин, продуцируе­мый клетками кишечной палочки; разрешена к применению в Евро­пейских странах вакцина для животных, полученная по технологии
рекомбинантных ДНК; разработаны генно-инженерные интерфероны, фактор некротизации опухоли, интер-лейкин-2, соматотропный гормон человека и др;

1986 - К. Мюллис разработал метод полимеразной цепной реак­ции (ПЦР);

1988 - началось широкомасштабное производство оборудова­ния и диагностических наборов для ПЦР;

1997 - клонировано первое млекопитающее (овечка Долли) из дифференцированной соматической клетки.

Такие выдающиеся отечественные ученые как Л.С. Ценковский, С.Н. Вышелесский, М.В. Лихачев, Н.Н. Гинзбург, С.Г. Колесов, Я.Р. Коляков, Р.В. Петров, В.В. Кафаров и др. внесли неоценимый вклад в развитие биотехнологии.

Наиболее важные достижения биотехнологии в 4-ом периоде:

1. Разработка интенсивных процессов (вместо экстенсивных) на основе направленных, фундаментальных исследований (с продуцен­тами антибиотиков, ферментов, аминокислот, витаминов).

2. Получение суперпродуцентов.

3. Создание различных продуктов, необходимых человеку, на ос­нове генноинженерных технологий.

4. Создание необычных организмов, ранее не существовавших в природе.

5. Разработка и внедрение в практику специальной аппаратуры биотехнологических систем.

6. Автоматизация и компьютеризация биотехнологических про­изводственных процессов при максимальном использовании сырья и минимальном потреблении энергии.

Вышеперечисленные достижения биотехнологии реализуются в настоящее время в народное хозяйство и будут внедряться в практи­ку в последующие 10-15 лет. В обозримом будущем будут опреде­лены новые краеугольные камни биотехнологии и нас ждут новые открытия и достижения.

1.3. Биосистемы, объекты и методы в биотехнологии

Одним из терминов в биотехнологии является понятие «биосисте­мы». Обобщенные характеристики биологической (живой) системы могут быть сведены к трём присущим им основным признаками:

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

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

3. Живые системы являются самовоспроизводящимися (клетки, организмы).

По структуре биосистемы делятся на элементы (подсистемы), свя­занные между собой, и характеризуются сложной организацией (ато­мы, молекулы, органеллы, клетки, организмы, популяции, сообще­ства).

Управление в клетке представляет собой сочетание процессов синтеза молекул белков-ферментов, необходимых для осуществления той или иной функции, и непрерывных процессов изменения активно­сти в ходе взаимодействия триплетных кодов ДНК в ядре и макромо­лекул в рибосомах. Усиление и торможение ферментативной актив­ности происходит в зависимости от количества начальных и конеч­ных продуктов соответствующих биохимических реакций. Благода­ря этой сложной организации биосистемы отличаются от всех нежи­вых объектов.

Поведение биосистемы является совокупностью ее реакций в от­вет на внешние воздействия, т.е. наиболее общей задачей управляю­щих систем живых организмов является сохранение его энергетиче­ской основы при изменяющихся условиях внешней среды.

Н.М. Амосов делит все биосистемы на пять иерархических уров­ней сложности: одноклеточные организмы, многоклеточные организ­мы, популяции, биогеоценоз и биосферу.

Одноклеточные организмы - это вирусы, бактерии и простейшие. Функции одноклеточных - обмен веществом и энергией со средой, рост и деление, реакции на внешние раздражители в виде изменения обмена и формы движения. Все функции одноклеточных поддержива­ются за счет биохимических процессов ферментативной природы и за счет энергетического обмена - начиная от способа получения энер­гии и до синтеза новых структур или расщепления существующих. Единственным механизмом одноклеточных, обеспечивающим их приспособление к окружающей среде, является механизм изменений в отдельных генах ДНК и, как следствие, изменение белков-фермен­тов и изменение биохимических реакций.

Основой системного подхода к анализу структур биосистем является ее представление в виде двух компонентов - энергетической и управляющей.

На рис. 1. показана обобщенная принципиальная схема потоков энергии и информации в любой биосистеме. Основным, элементом является энергетическая составляющая, обозначенная через МС (ме­таболическая система), и управляющая, обозначенная через Р (генетическое и физиологическое управле­ние) и передающая сигналы управле­ния на эффекторы (Э). Одной из главных функций метаболической системы является снабжение биосистем энер­гией.

Рис. 1. Потоки энергии и информации в биосистеме.

Структура биосистем поддерживается механизмами генетическо­го управления. Получая от остальных систем энергию и информацию в виде продуктов обмена веществ (матаболитов), а в период формиро­вания - в виде гормонов, генетическая система управляет процессом синтеза необходимых веществ и поддерживает жизнедеятельность остальных систем организма, причем процессы в этой системе про­текают достаточно медленно.

Несмотря на многообразие биосистем, отношения между их био­логическими свойствами остаются инвариантными для всех организ­мов. В сложной системе возможности к адаптации значительно боль­ше, чем в простой. В простой системе эти функции обеспечиваются малым количеством механизмов, при этом они более чувствительны к изменениям во внешней среде.

Для биосистем характерна качественная неоднородность, прояв­ляющаяся в том, что в рамках одной и той же функциональной био­системы совместно и слаженно работают подсистемы с качественно различными адекватными управляющими сигналами (химическими, физическими, информационными).

Иерархичность биосистем проявляется в постепенном усложнении функции на одном уровне иерархии и скачкообразном переходе к качественно другой функции на следующем уровне иерархии, а также в специфическом построении различных биосистем, их ана­лиза и управления в такой последовательности, что итоговая выход­ная функция нижележащего уровня иерархии входит в качестве эле­мента в вышележащий уровень.

Постоянное приспособление к среде и эволюция невозможны без единства двух противоположных свойств: структурно-функциональ­ной организованности и структурно-функциональной вероятности, стохастичности и изменчивости.

Структурно-функциональная организованность проявляется на всех уровнях биосистем и характеризуется высокой устойчивостью биологического вида и его формы. На уровне макромолекул это свой­ство обеспечивается репликацией макромолекул, на уровне клетки -делением, на уровне особи и популяции - воспроизведением особей путем размножения.

В качестве биологических объектов или систем, которые исполь­зует биотехнология, прежде всего необходимо назвать одноклеточ­ные микроорганизмы, а также животные и растительные клетки. Выбор этих объектов обусловлен следующими моментами:

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

2. Клетки чрезвычайно быстро воспроизводятся. Так, бактериаль­ная клетка делится через каждые 20 - 60 мин, дрожжевая – через каждые 1,5 - 2 ч, животная - через 24 ч, что позволяет за относитель­но короткое время искусственно нарастить на сравнительно дешё­вых и недефицитных питательных средах в промышленных масшта­бах огромные количества биомассы микробных, животных или рас­тительных клеток. Например, в биореакторе ёмкостью 100 м 3 за 2 – 3 сут можно вырастить 10" 6 - 10 18 микробных клеток. В процессе жиз­недеятельности клеток при их выращивании в среду поступает боль­шое количество ценных продуктов, а сами клетки представляют со­бой кладовые этих продуктов;

3. Биосинтез сложных веществ, таких как белки, антибиотики, антигены, антитела и др. значительно экономичнее и технологичес­ки доступнее, чем химический синтез. При этом исходное сырьё для биосинтеза, как правило, проще и доступнее, чем сырьё для других
видов синтеза. Для биосинтеза используют отходы сельскохозяй­ственной, рыбной продукции, пищевой промышленности, рас­тительное сырьё (молочная сыворотка, дрожжи, древесина, меласса и др.)

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

Таким образом, природа дала в руки исследователям живую сис­тему, содержащую и синтезирующую уникальные компоненты, и, в первую очередь, нуклеиновые кислоты, с открытием которых и на­чала бурно развиваться биотехнология и мировая наука в целом.

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

В этой связи можно сказать, что объекты биотехнологии относят­ся либо к микроорганизмам, либо к растительным и животным клет­кам. В свою очередь организм можно охарактеризовать как систему экономного, сложнейшего, компактного, целенаправленного синте­за, устойчиво и активно протекающего при оптимальном под­держании всех необходимых параметров.

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

В первом случае дело имеют 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 дело имеют с молекулами, например с нуклеи­новыми кислотами. Однако в конечной стадии молекулярный уро­вень трансформируется в клеточный. Клетки животных и растений, микробные клетки в процессе жизнедеятельности (ассимиляции и диссимиляции) образуют новые продукты и выделяют метаболиты разнообразного физико-химичес­кого состава и биологического действия.

При росте клетки в ней осуществляется огромное число катали­зируемых ферментами реакций, в результате которых образуются промежуточные соединения, которые в свою очередь превращаются в структуры клетки. К промежуточным соединениям, к строитель­ным «кирпичикам» относятся 20 аминокислот, 4 рибонуклеотида, 4 дезоксирибонуклеотида, 10 витаминов, моносахара, жирные кисло­ты, гексозамины. Из этих «кирпичиков» строятся «блоки»: пример­но 2000 белков, ДНК, три типа РНК, полисахариды, липиды, фер­менты. Образующиеся «блоки» идут на строительство клеточных структур: ядро, рибосомы, мембрана, клеточная стенка, митохонд­рии, жгутики и пр., из которых состоит клетка.

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

Обычно продукты одноклеточных делят на 4 категории:

а) 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.;

б) крупные молекулы, которые синтезируются клетками в процессе выращивания: ферменты, токсины, антигены, антитела, пептидогликаны и др.;

в) первичные метаболиты - низкомолекулярные вещества (менее 1500 дальтон), необходимые для роста клеток, такие как аминокис­лоты, витамины, нуклеотиды, органические кислоты;

г) вторичные метаболиты (идиолиты) - низкомолекулярные со­единения, не требующиеся для роста клеток: антибиотики, алкалои­ды, токсины, гормоны.

Все микрообъекты, используемые в биотехнологии, относят к акариотам, про- или к эукариотам. Из группы эукариот, например, опе­рирует в качестве биообъектов клетками простейших, водорослей и грибов, из группы прокариот - клетками сине-зеленых водорослей и бактерий, акариот – вирусами.

Биообъекты из микромира варьируют в размерах от нанометров (вирусы, бактериофаги) до миллиметров и сантиметров (гигантские водоросли) и характеризуются относительно быстрым темпом раз­множения. В современной Фарминдустрии используется гигантская гамма биообъектов, группировка которых весьма сложна и лучше всего может быть выполнена на основе принципа их соразмерности.

Огромная совокупность биобъектов не исчерпывает всей элемен­тной базы, которой оперирует биотехнология. Последние успехи биологии и генной инженерии привели к появлению совершенно новых биообъектов – трансгенных (генетически-модифицированных) бактерий, вирусов, грибов, клеток растений, животных, человека и химер.

Несмотря на то, что представители всех надцарств содержат ге­нетический материал, различные акариоты лишены какого-либо од­ного типа нуклеиновой кислоты (РНК или ДНК). Они не способны функционировать (в том числе - реплицироваться) вне живой клет­ки, и, следовательно, правомочно именовать их безъядерными. Па­разитизм вирусов развивается на генетическом уровне.

При целенаправленном обследовании различных экологических ниш выявляются все новые группы микроорганизмов-продуцентов полезных веществ, которые могут быть использованы в биотехноло­гии. Количество видов микроорганизмов, используемых в биотехно­логии, постоянно растет.

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 существенные изменения, то дан­ный биологический объект следует признать нетехнологичным, т.е. неприемлемым для следующих после стадии лабораторных иссле­дований технологических разработок.

С развитием биотехнологии огромное значение приобретают спе­циализированные банки биологических объектов, в частности кол­лекции микроорганизмов с изученными свойствами, а также криобанки клеток животных и растений, которые уже сейчас с помощью специальных методов могут быть с успехом использованы для кон­струирования новых, полезных для биотехнологии организмов. По сути дела, такие специализированные банки культур ответственны за сохранение чрезвычайно ценного генофонда.

Коллекции культур играют важную роль в процедуре правовой защиты новых культур и в стандартизации биотехнологических про­цессов. В коллекциях проводится сохранение, поддержание и обес­печение микроорганизмов штаммами, плазмидами, фагами, линия­ми клеток как для научных и прикладных исследований, так для и соответствующих производств. Коллекции культур кроме основной задачи - обеспечения жизнеспособности и сохранения генетических свойств штаммов - содействуют развитию научных исследований (в области таксономии, цитологии, физиологии), а также служат целям обучения. Они выполняют незаменимую функцию в качестве депо­зитариев патентуемых штаммов. Согласно международным прави­лам, патентоваться и депозитироваться могут не только эффектив­ные продуценты, но и культуры, используемые в генетической инже­нерии.

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 генетической 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 мембра­ны с заданной проницаемостью и поверхностными свойствами. Неко­торые материалы могут быть заключены внутри таких клеток: фер­ментные системы, клеточные экстракты, биологические клетки, маг­нитные материалы, изотопы, антитела, антигены, гормоны и др. При­менение искусственных клеток дало положительные результаты в производстве интерферонов и моноклональных антител, при создании иммуносорбентов и др.

Разрабатываются подходы к созданию искусственных ферментов и аналогов ферментов, обладающих повышенной стабильностью и активностью. Например, проводится синтез полипептидов желаемой стереоконфигурации, ведутся поиски методов направленного мута­генеза с целью замены одной аминокислоты на другую в молекуле фермента. Делаются попытки построения неферментных каталити­ческих моделей.

Как наиболее перспективные следует выделить следующие груп­пы биологических объектов:

Рекомбинанты, т.е. организмы, полученные методами гене­тической инженерии;

Растительные и животные тканевые клетки;

Термофильные микроорганизмы и ферменты;

Анаэробные организмы;

Ассоциации для превращения сложных субстратов;

Иммобилизованные биологические объекты.

Процесс искусственного создания биологического объекта (мик­роорганизма, или тканевой клетки) состоит в изменении его генети­ческой информации с целью исключить нежелательные и усилить нужные свойства или придать ему совершенно новые качества. Наи­более целенаправленные изменения можно выполнить путем реком­бинаций - перераспределяя гены или части генов и объединяя в од­ном организме генетическую информацию от двух и более организ­мов. Получение рекомбинантных организмов, в частности, можно осуществить методом слияния протопластов, путем переноса при­родных плазмид и методами генной инженерии.

К нетрадиционным биологическим агентам на данном этапе раз­вития биотехнологии относятся растительные и животные тканевые клетки, в том числе гибридомы, трансплантаты. Культуры клеток мле­копитающих уже сейчас являются продуцентами интерферона и ви­русных вакцин, в недалеком будущем осуществится крупномасштаб­ное получение моноклональных антител, поверхностных антигенов клеток человека, ангиогенных факторов.

С развитием методов биотехнологии все большее внимание будет уделяться использованию термофильных микроорганизмов и их ферментов.

Ферменты, продуцируемые термофильными микроорганизмами, характеризуются термостабильностью и более высокой устойчи­востью к денатурации по сравнению с ферментами из мезофилов. Проведение биотехнологических процессов при повышенной тем­пературе с использованием ферментов термофильных микроорга­низмов обладает рядом достоинств:

1) увеличивается скорость реакции;

2) повышается растворимость реактивов и за счет этого - продук­тивность процесса;

3) уменьшается возможность микробного заражения реакцион­ной среды.

Наблюдается возрождение биотехнологических процессов с ис­пользованием анаэробных микроорганизмов, которые нередко яв­ляются также термофильными. Анаэробные процессы привлекают внимание исследователей в связи с недостатком энергии и возмож­ностью получения биогаза. Так как при анаэробном культивировании не нужна аэрация среды и биохимические процессы менее интен­сивны, упрощается система теплоотвода, анаэробные процессы можно рассматривать как энергосберегающие.

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.

В последние годы расширяется применение смешанных куль­тур микроорганизмов и их природных ассоциаций. В реальной био­логической ситуации в природе микроорганизмы существуют в виде сообществ различных популяций, тесно связанных между со­бой и осуществляющих круговорот веществ в природе.

Основные преимущества смешанных культур по сравнению с монокультурами следующие:

Способность утилизировать сложные, неоднородные по со­ставу субстраты, зачастую непригодные для монокультур;

Способность к минерализации сложных органических соеди­нений;

Повышенная способность к биотрансформации органических веществ;

Повышенная устойчивость к токсичным веществам, в том чис­ле тяжелым металлам;

Повышенная устойчивость к воздействию окружающей среды;

Повышенная продуктивность;

Возможный обмен генетической информацией между отдель­ными видами сообщества.

Следует особо выделить такую группу биологических объектов, как ферменты-катализаторы биологического происхождения, изуче­нием которых в прикладном аспекте занимается инженерная энзимология. Основная ее задача - разработка биотехнологических про­цессов, в которых используется каталитическое действие энзимов, как правило, выделенных из состава биологических систем или находящихся внутри клеток, искусственно лишенных способнос­ти роста. Благодаря ферментам скорость реакций по сравнению с реакциями, протекающими в отсутствие этих катализаторов, возрастает в 10 б - 10 12 раз.

Как отдельную отрасль создания и использования биологических объектов следует выделить иммобилизованные биологические объек­ты. Иммобилизованный объект представляет собой гармоничную систему, действие которой в целом определяется правильным подбо­ром трех основных компонентов: биологического объекта, носителя и способа связывания объекта с носителем.

В основном используются следующие группы методов мобилиза­ции биологических объектов:

Включение в гели, микрокапсулы;

Адсорбция на нерастворимых носителях;

Ковалентное связывание с носителем;

Сшивка бифункциональными реагентами без использования но­сителя;

- «самоагрегация» в случае интактных клеток.

Основными преимуществами использования иммобилизованных биологических объектов являются:

Высокая активность;

Возможность контроля за микроокружением агента;

возможность полного и быстрого отделения целевых продук­тов;

Возможность организации непрерывных процессов с многократ­ным использованием объекта.

Как следует из вышеизложенного, в биотехнологичиеских про­цессах возможно использование ряда биологических объектов, ха­рактеризующихся различными уровнями сложности биологической регуляции, например клеточным, субклеточным, молекулярным. От особенностей конкретного биологического объекта самым непос­редственным образом зависит подход к созданию всей биотехноло­гической системы в целом.

В результате фундаментальных биологических исследований уг­лубляются и расширяются знания о природе и, тем самым, о воз­можностях прикладного использования той или иной биологичес­кой системы в качестве активного начала биотехнологического процесса. Набор биологических объектов непрерывно пополняется.

1.4. Основные направления развития методов биотехнологии в ветеринарии

За последние 40 - 50 лет произошло скачкообразное развитие боль­шинства наук, что привело к форменной революции в производстве ветеринарных и медицинских биопрепаратов, созданию трансгенных растений и животных с заданными уникальными свойствами. По­добные исследования являются приоритетными направлениями на­учно-технического прогресса и в XXI в. займут ведущее место среди всех наук.

Даже простое перечисление товарных форм биопрепаратов ука­зывает на неограниченные возможности биотехнологии. Однако этот важный вопрос заслуживает некоторой детализации.

На наш взгляд, возможности биотехнологии особенно впечатля­ющи в трех основных направлениях.

Первое - это крупнотоннажное производство микробного белка для кормовых целей (вначале - на основе гидролизатов древесины, а затем - на основе углеводородов нефти).

Важную роль играет производство незаменимых аминокислот, необходимых для сбалансированности по аминокислотному составу кормовых добавок.

Кроме кормового белка, аминокислот, витаминов и других кормо­вых добавок, увеличивающих питательную ценность кормов, быст­ро расширяются возможности массового производства и примене­ния вирусных и бактериальных препаратов для профилактики бо­лезней птиц и сельскохозяйственных животных, для эффективной борьбы с вредителями сельскохозяйственных растений. Микробиологические препараты, в отличие от многих химичес­ких, обладают высокой специфичностью действия на вредных насе­комых и фитопатогенные микроорганизмы, они безвредны для чело­века и животных, птиц и полезных насекомых. Наряду с прямым уничтожением вредителей в период обработки они действуют на потомство, снижая его плодовитость, не вызывают образования ус­тойчивых форм вредных организмов.

Огромны возможности биотехнологии в области производства ферментных препаратов для переработки сельскохозяйственно­го сырья, создания новых кормов для животноводства.

Второе направление - разработки в интересах развития био­логической науки, здравоохранения и ветеринарии. На основе дости­жений генной инженерии и молекулярной биологии биотехнология может обеспечить здравоохранение высокоэффективными вакцинами и антибиотиками, моноклональными антителами, интерфероном, ви­таминами, аминокислотами, а также ферментами и другими био­препаратами для исследовательских и лечебных целей. Некоторые из этих препаратов уже сегодня с успехом применяются не только в научных экспериментах, но и в практической медицине и ветерина­рии.

Наконец, третье направление - разработки для промышленности. Уже сегодня продукцию биотехнологических производств потреб­ляют или применяют пищевая и легкая промышленность (фермен­ты), металлургия (использование некоторых веществ в процессах флотации, точного литья, прецизионного проката), нефтегазовая промышленность (использование ряда препаратов комплексной переработки растительных и микробных биомасс при бурении скважин, при селективной очистке и др.), резиновая и лакокра­сочная промышленность (улучшение качества синтетического ка­учука за счет некоторых белковых добавок), а также ряд других про­изводств.

К числу активно разрабатываемых направлений биотехнологии относятся биоэлектроника и биоэлектрохимия, бионика, нанотехнология, в которых используются либо биологические системы, либо принципы действия таких систем.

Широко в научных исследованиях применяются ферментсодержащие датчики. На их основе разработан ряд устройств, например, дешевые, точные и надежные приборы для проведения анализов. Появляются и биоэлектронные иммуносенсоры, причем в не­которых из них используется полевой эффект транзисторов. На их основе предполагается создавать относительно дешевые приборы, способные определять и поддерживать на заданном уровне концент­рацию широкого круга веществ в жидкостях тела, что может вызвать переворот в биологической диагностике.

Достижения ветеринарной биотехнологии. В России биотехно­логия как наука начала развиваться с 1896 г. Толчком послужила необхо­димость создавать профилактические и терапевтические средства против таких болезней как сибирская язва, чума крупного рогатого скота, бешен­ство, ящур, трихинеллез. В конце XIX в. ежегодно от сибирской язвы гибло более 50 тыс. животных и 20 тыс. людей. За 1881 - 1906 гг. от чумы пало 3,5 млн коров. Значительный ущерб наносил сап, от которого гибло конское поголовье и люди.

Успехи отечественной ветеринарной науки и практики в проведении специфической профилактики инфекционных болезней связаны с круп­ными научными открытиями, сделанными в конце XIX и начале XX столетий. Это касалось разработки и внедрения в ветеринарную практику профилактических и диагностических препаратов при карантин­ных и особо опасных болезнях животных (вакцины против сибирской язвы, чумы, бешенства, аллергенов для диагностики туберкулеза, сапа и др). Была научно доказана возможность приготовления лечебных и ди­агностических гипериммунных сывороток.

На этот период приходится фактическая организация в России само­стоятельной биологической промышленности.

С 1930 г. существующие в России ветеринарные бактериологичес­кие лаборатории и институты стали существенно расширяться, и на их базе было начато строительство крупных биологических фабрик и био­комбинатов по производству вакцин, сывороток, диагностикумов для ветеринарных целей. В этот период разрабатываются технологические процессы, научно-технологическая документация, а также единые ме­тоды (стандарты) изготовления, контроля и применения препаратов в животноводстве и ветеринарии.

В 30-е годы были построены первые заводы по получению кор­мовых дрожжей на гидролизатах древесины, сельскохозяйственных отходах и сульфитных щелоках под руководством В.Н.Шапошнико­ва. Успешно внедрена технология микробиологического производ­ства ацетона и бутанола (рис. 2).

Большую роль в создание основ отечественной биотехнологии внесло его учение двухфазном характере брожения. В 1926 г. в СССР были исследованы биоэнергетические закономерности окисления углеводородов микроорганизмами. В последующие годы биотехно­логические разработки широко использовались в нашей стране для расширения «ассортимента» антибиотиков для медицины и животно­водства, ферментов, витаминов, ростовых веществ, пестицидов.

С момента создания в 1963 г. Всесоюзного научно-исследо­вательского института биосинтеза белковых веществ в нашей стра­не налаживается крупнотоннажное производство богатой белками биомассы микроорганизмов как корма.

В 1966 г. микробиологическая промышленность была выделена в отдельную отрасль и создано Главное управление микробиологичес­кой промышленности при Совете Министров СССР - Главмикробиопром.

С 1970 г. в нашей стране ведутся интенсивные исследования по селекции культур микроорганизмов для непрерывного культивиро­вания в промышленных целях.

В разработку генно-инженерных методов советские исследователи включились в 1972 г. Следует указать на успешное осуществление в СССР проекта «Ревертаза» - получение в промышленных масшта­бах фермента «обратной транскриптазы».

Развитие методов изучения структуры белков, выяснение меха­низмов функционирования и регуляции активности ферментов от­крыли путь к направленной модификации белков и привели к рожде­нию инженерной энзимологии. Иммобилизованные ферменты, об­ладающие высокой стабильностью, становятся мощным инструмен­том для осуществления каталитических реакций в различных отрас­лях промышленности.

Все эти достижения поставили биотехнологию на новый уровень, качественно отличающийся от прежнего возможностью сознательно управлять клеточными процессами биосинтеза.

За годы становления промышленного производства биологических препаратов в нашей стране произошли существенные качественные из­менения биотехнологических приемов их получения:

Проведены исследования по получению стойких, с наследственно закрепленными свойствами, авирулентных штаммов микроорганизмов, из которых готовят живые вакцины;

Разработаны новые питательные среды для культивирования мик­роорганизмов, в том числе и на основе гидролизатов и экстрактов из сырья непищевого назначения;

Получены высококачественные сывороточные питательные среды для лептоспир и других трудно культивируемых микроорганизмов;

Разработан глубинный реакторный способ культивирования мно­гих видов бактерий, грибов и некоторых вирусов;

Получены новые штаммы и линии клеток, чувствительных ко мно­гим вирусам, что обеспечило приготовление и получение стандартных и более активных противовирусных вакцин;

Механизированы и автоматизированы все процессы производства;

Разработаны и внедрены в производство современные методы кон­центрирования культур микроорганизмов и сублимационной сушки биопрепаратов;

Снижены энергозатраты на получение единицы продукции, стан­дартизировано и улучшено качество биопрепаратов;

Повышена культура производства биопрепаратов.

Уделяя большое внимание разработкам ветеринарных биопрепаратов дня профилактики, диагностики инфекционных болезней и лечения больных животных, в нашей стране постоянно ведется работа по совершен­ствованию промышленной технологии, освоению производства более эффективных, дешевых и стандартных препаратов. При этом основными требованиями являются:

Использование мирового опыта;

Экономия ресурсов;

Сохранение производственных площадей;

Приобретение и монтаж современного оборудования и технологи­ческих линий;

Проведение научных исследований по разработке и изысканию но­вых видов биопродуктов, новых и дешевых рецептов приготовления пи­тательных сред;

Изыскание более активных штаммов микроорганизмов в отно­шении их антигенных, иммуногенных и продуктивных свойств.

Федеральное государственное общеобразовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологий им. К.И.Скрябиан»

Реферат по биотехнологии

«Лекция № 1»

Работу выполнила

Студентка ФВМ

4 курса, 11 группы

Гордон Мария