1. Микробиология и биотехнологии. История становления
Биотехнология – это наука об использовании биологических процессов в технике и промышленном производстве.
Название ее происходит от греческих слов bios – жизнь, teken – искусство, logos – слово, учение, наука.
В соответствии с определением Европейской федерации биотехнологов (ЕФБ, 1984) биотехнология базируется на интегральном использовании биохимии, микробиологии и инженерных наук в целях промышленной реализации способностей микроорганизмов, культур клеток тканей и их частей. Уже в самом определении предмета отражено его местоположение как пограничного, благодаря чему результаты фундаментальных исследований в области биологических, химических и технических дисциплин приобретают выраженное прикладное значение.
Биотехнология непосредственно связана с общей биологией, микробиологией, ботаникой, зоологией, анатомией и физиологией, биологической, органической, физической и коллоидной химией, иммунологией, биоинженерией, электроникой, технологией лекарств, генетикой и другими научными дисциплинами.
Возникновение, становление и развитие биотехнологии можно условно разделить на четыре периода:
- эмпирический,
- этиологический,
- биотехнический и
- генотехнический.
Эмпирический (от греч. empirikos – опытный) период – самый длительный, охватывающий примерно 8000 лет, из которых более 6000 лет – до нашей эры и около 2000 лет – нашей эры.
Древние народы того времени интуитивно использовали приемы и способы изготовления хлеба, пива и некоторых других продуктов, которые теперь мы относим к разряду биотехнологических. Так, египтяне выпекали хлеб из кислого теста с 4000 годов до н. э., на востоке вино было известно с 2000 годов до н. э. В течение нескольких тысячелетий известен уксус, издревле приготавливавшийся в домашних условиях, хотя о микробах-индукторах этого процесса мир узнал в 1868 г. благодаря работам Луи Пастера, несмотря на существование с XIV в. «орлеанского способа» приготовления уксуса; первая дистилляция вина осуществлена в XII в.; водку из хлебных злаков впервые получили в XVI в.; шампанское известно с XVIII века, но получение абсолютного этанола впервые удалось в XIV в. испанцу Раймунду Луллию благодаря перегонке вина с негашеной известью.
К тому же эмпирическому периоду относятся получение кисломолочных продуктов и сыра, квашеной капусты, медовых алкогольных напитков, восточных продуктов (соевого соуса и темпеха), силосование кормов; мочка лубоволокнистых растений; культивирование грибов.
Таким образом, народы исстари пользовались на практике микробиологическими процессами, ничего не зная о микробах; эмпиризм также был характерен и в практике использования полезных растений и животных.
Второй, этиологический (от греч. aitia – причина), период в развитии биотехнологии охватывает вторую половину XIX в. и первую треть XX в. Он связан с выдающимися исследованиями великого французского ученого Луи Пастера (1822 – 1895) – основоположника научной микробиологии и ряда микробиологических дисциплин. Пастер вскрыл микробную природу брожений, доказал возможность жизни в бескислородных условиях, экспериментально опроверг представление о самопроизвольном зарождении живых существ, создал научные основы вакцинопрофилактики и вакцинотерапии; предложил метод стерилизации, называемый по его имени пастеризацией и т. д.
Этиологический период знаменателен тем, что 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.). Например: масляно-кислые бактерии и вызываемое ими масляно-кислое брожение, лактобактерии и молочнокислое брожение, дрожжи – сахаромицеты и спиртовое брожение, уксуснокислые бактерии и окисление этанола до уксусной кислоты и т. д. В этот период было начато изготовление прессованных пищевых дрожжей, а также некоторых продуктов обмена (метаболизма) – ацетона, бутанола, лимонной и молочной кислот; во Франции приступили к созданию биоустановок для микробиологической очистки сточных вод.
Знание причин биологических процессов еще не исключало нестерильные операции, хотя и стремились к использованию чистых культур микроорганизмов.
Для всестороннего изучения морфолого-физиологических свойств и продуктов обмена микробов все ранее предложенные способы их выращивания оказались малопригодными. Более того, накопление однородной по возрасту большой массы клеток оставалось исключительно трудоемким процессом. Вот почему требовался принципиально иной подход для решения многих задач в области биотехнологии.
В 1933 г. А. Клюйвер и Л. Х. Ц. Перкин опубликовали работу «Методы изучения обмена веществ у плесневых грибов», в которой изложили основные технические приемы, а также подходы к оценке и интерпретации получаемых результатов при глубинном культивировании грибов. С этого времени начинается третий период в развитии биологической технологии – биотехнический. Началось внедрение в биотехнологию крупномасштабного герметизированного оборудования, обеспечившего 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 биологических и технических дисциплин, достигнутое к тому времени, нашло свое отражение в биотехнологии.
Следует отметить, что уже в 1969 г. Ф. Мишер получил «нуклеин» (ДНК) из лейкоцитов; В. Оствальд в 1893 г. установил каталитическую функцию ферментов; Г. Хаберланд в 1902 г. показал возможность культивирования клеток различных тканей растений в простых питательных растворах; Ц. Нейберг в 1912 г. раскрыл механизм процессов брожения; Л. Михаэлис и М.Л. Ментен в 1913 г. разработали кинетику ферментативных реакций; Г.А. Надсон и Г.С. Филиппов в 1925 г. доказали мутагенное действие рентгеновских лучей на дрожжи и т. д.
Следовательно, накопленные научные факты стали побудительным мотивом для разработки способов крупномасштабного культивирования клеток различного происхождения. Это необходимо было для получения различных клеточных продуктов и самих клеток для нужд человека, и прежде всего в качестве (или в составе) лечебных и профилактических средств: пенициллина, стрептомицина, тетрациклинов, декстрана, ряда аминокислот и многих других веществ. К 1950г. Ж. Моно (Франция) разработал теоретические основы непрерывного управляемого культивирования микробов.
Примерно за 40 лет третьего периода были решены основные задачи по конструированию, созданию и внедрению в практику необходимого оборудования, в том числе главного из них – биореакторов. Это оборудование используют и в настоящее время.
Четвертый период в биотехнологии – генотехнический (от греч. genesis – происхождение, возникновение, рождение) – начался с 1972 г. В этом году П. Берг со своими сотрудниками в США создали первую рекомбинантную молекулу ДНК.
Естественно, что без фундаментальной работы Ф. Крика и Дж. Уотсона (1953) по установлению структуры ДНК было невозможно достигнуть современных результатов в области биотехнологии. Выяснение механизмов функционирования и регуляции ДНК, выделение и изучение специфических ферментов привело к формированию строго научного подхода к разработке биотехнологических процессов на основе генно-инженерных работ. В этом суть генотехнического периода.
Для генотехнического периода характерны: разработка интенсивных процессов (вместо экстенсивных) на основе направленных фундаментальных исследований (с продуцентами антибиотиков, ферментов, аминокислот, витаминов); получение суперпродуцентов; создание продуцентов, несущих в себе бессмысленную генетическую информацию (например, генов интерферона человека в клетках Pseudomonas aeruginosa); создание необычных организмов, ранее не существовавших в природе (например, создание неклубеньковых организмов, несущих гены азотобактерий, ответственных за способность фиксировать молекулярный азот из воздуха); разработка и внедрение экологически чистых и по возможности безотходных технологий; разработка и внедрение в практику специальной аппаратуры блочного (сменного) типа для различных биотехнологических схем; автоматизация и компьютеризация биотехнологических процессов; создание экономически оптимальных производственных процессов при максимальном использовании сырья и минимальном потреблении энергии.
В настоящее время биотехнология представляет собой биоиндустрию, которая включает в себя, с одной стороны, отрасли, в которых биотехнологические методы могут с успехом заменить широко используемые традиционные методы, а с другой – отрасли, в которых биотехнология играет ведущую роль.
Среди первых в области химической промышленности относятся синтез искусственных приправ, полимеров и сырья для текстильной промышленности, в области энергетики – получение метанола, биогаза и водорода, в области биометаллургии – извлечение некоторых металлов из бедных руд.
Во второй группе отраслей биотехнология охватывает производство продовольствия (широкомасштабное выращивание дрожжей, водорослей и бактерий для получения белков, аминокислот, витаминов и ферментов); увеличение продуктивности сельского хозяйства (клонирование и селекцию сортов растений, исходя из тканевых и клеточных культур, производство биопестицидов и биоинсектицидов); фармацевтическую промышленность (разработку вакцин, синтез гормонов, интерферонов и антибиотиков); защиту окружающей среды и уменьшение ее загрязнения (очистку сточных вод, переработку хозяйственных отходов, изготовление компоста, производство соединений, поддающихся расщеплению микроорганизмами).
В современной биотехнологии в соответствии со спецификой сфер ее применения, можно выделить следующие разделы:
- 1. Промышленная микробиология.
- 2. Инженерная энзимология.
- 3. Сельскохозяйственная биотехнология.
- 4. Технологическая биоэнергетика.
- 5. Биогеотехнология металлов.
- 6. Клеточная и генная инженерия.
- 7. Экологическая биотехнология.
Л.В. Тимощенко, М.В. Чубик
Роль биотехнологии в современном мире
Биологические технологии (биотехнологии) обеспечивают управляемое получение полезных продуктов для различных сфер человеческой деятельности, базируясь на использовании каталитического потенциала биологических агентов и систем различной степени организации и сложности – микроорганизмов, вирусов, растительных и животных клеток и тканей, а также внеклеточных веществ и компонентов клеток.
Развитие и преобразование биотехнологии обусловлено глубокими переменами, происшедшими в биологии в течение последних 25-30 лет. Основу этих событий составили новые представления в области молекулярной биологии и молекулярной генетики. В то же время нельзя не отметить, что развитие и достижения биотехнологии теснейшим образом связаны с комплексом знаний не только наук биологического профиля, но также и многих других.
Расширение практической сферы биотехнологии обусловлено также социально-экономическими потребностями общества. Такие актуальные проблемы, стоящие перед человечеством на пороге ХХI в., как дефицит чистой воды и пищевых веществ (особенно белковых), загрязнение окружающей среды, недостаток сырьевых и энергетических ресурсов, необходимость получения новых, экологически чистых материалов, развития новых средств диагностики и лечения, не могут быть решены традиционными методами. Поэтому для жизнеобеспечения человека, повышения качества жизни и ее продолжительности становится все более необходимым освоение принципиально новых методов и технологий.
Развитие научно-технического прогресса, сопровождающееся повышением темпов материальных и энергетических ресурсов, к сожалению, приводит к нарушению баланса в биосферных процессах. Загрязняются водные и воздушные бассейны городов, сокращается воспроизводительная функция биосферы, вследствие накопления тупиковых продуктов техносферы нарушаются глобальные круговоротные циклы биосферы.
Стремительность темпов современного научно-технического прогресса человечества образно описал швейцарский инженер и философ Эйхельберг: «Полагают, что возраст человечества равен 600 000 лет. Представим себе движение человечества в виде марафонского бега на 60 км, который где-то начинаясь, идет по направлению к центру одного из наших городов, как к финишу… Большая часть дистанции пролегает по весьма трудному пути – через девственные леса, и мы об этом ничего не знаем, ибо только в самом конце, на 58-59 км бега, мы находим, наряду с первобытным орудием, пещерные рисунки, как первые признаки культуры, и только на последнем километре появляются признаки земледелия. За 200 м до финиша дорога, покрытая каменными плитами, ведет мимо римских укреплений. За 100 м бегунов обступают средневековые городские строения. До финиша остается 50 м, где стоит человек, умными и понимающими глазами следящий за бегунами, – это Леонардо да Винчи. Осталось 10 м. Они начинаются при свете факелов и скудном освещении масляных ламп. Но при броске на последних 5 м происходит ошеломляющее чудо: свет заливает ночную дорогу, повозки без тяглового скота мчатся мимо, машины шумят в воздухе, и пораженный бегун ослеплен светом прожекторов фото- и телекамер…», т.е. за 1 м человеческий гений совершает ошеломляющий рывок в области научно-технического прогресса. Продолжая этот образ, можно добавить, что в момент приближения бегуна к финишной ленточке оказывается прирученным термоядерный синтез, стартуют космические корабли, расшифрован генетически код.
Автор задает вопрос: не окажется ли судьба человечества судьбой бегуна и не путь ли к гибели человечества столь стремительное развитие научно-технического прогресса?
Биотехнология – основа научно-технического прогресса и повышения качества жизни человека.
Биотехнология как область знаний и динамически развиваемая промышленная отрасль призвана решить многие ключевые проблемы современности, обеспечивая при этом сохранение баланса в системе взаимоотношений «человек – природа – общество», ибо биологические технологии (биотехнологии), базирующиеся на использовании потенциала живого по определению нацелены на дружественность и гармонию человека с окружающим его миром. В настоящее время биотехнология подразделяется на несколько наиболее значимых сегментов: это «белая», «зеленая», «красная», «серая» и «синяя» биотехнология.
К «белой» биотехнологии относят промышленную биотехнологию, ориентированную на производство продуктов, ранее производимых химической промышленностью, – спирта, витаминов, аминокислот и др. (с учетом требований сохранения ресурсов и охраны окружающей среды).
Зеленая биотехнология охватывает область, значимую для сельского хозяйства. Это исследования и технологии, направленные на создание биотехнологических методов и препаратов для борьбы с вредителями и возбудителями болезней культурных растений и домашних животных, создание биоудобрений, повышение продуктивности растений, в том числе с использованием методов генетической инженерии.
Красная (медицинская) биотехнология – наиболее значимая область современной биотехнологии. Это производство биотехнологическими методами диагностикумов и лекарственных препаратов с использованием технологий клеточной и генетической инженерии (зеленые вакцины, генные диагностикумы, моноклональные антитела, конструкции и продукты тканевой инженерии и др.).
Серая биотехнология занимается разработкой технологий и препаратов для защиты окружающей среды; это рекультивация почв, очистка стоков и газовоздушных выбросов, утилизация промышленных отходов и деградация токсикантов с использованием биологических агентов и биологических процессов.
Синяя биотехнология в основном ориентирована на эффективное использование ресурсов Мирового океана. Прежде всего, это использование морской биоты для получения пищевых, технических, биологически активных и лекарственных веществ.
Современная биотехнология – это одно из приоритетных направлений национальной экономики всех развитых стран. Путь повышения конкурентности биотехнологических продуктов на рынках сбыта является одним из основных в общей стратегии развития биотехнологии промышленно развитых стран. Стимулирующим фактором выступают специально принимаемые правительственные программы по ускоренному развитию новых направлений биотехнологии.
Среди биотехнологических направлений, близких к практической реализации или находящихся на стадии промышленного освоения, следующие:
- биоконверсия солнечной энергии;
- применение микроорганизмов для повышения выхода нефти и выщелачивания цветных и редких металлов;
- конструирование штаммов, способных заменить дорогостоящие неорганические катализаторы и изменить условия синтеза для получения принципиально новых соединений;
- применение бактериальных стимуляторов роста растений, изменение генотипа злаковых и их приспособление к созреванию в экстремальных условиях (без вспашки, полива и удобрений);
- направленный биосинтез эффективного получения целевых продуктов (аминокислот, ферментов, витаминов, антибиотиков, пищевых добавок, фармакологических препаратов;
- получение новых диагностических и лечебных препаратов на основе методов клеточной и генетической инженерии.
Н.А. Воинов, Т.Г. Волова
http://medbe.ru/materials/problemy-i-metody-biotekhnologii/rol-biotekhnologii-v-sovremennom-mire/