Предмет и задачи биотехнологии, основные этапы развития науки

---

Лекция 1. Тема 1. Предмет и задачи биотехнологии, основные этапы развития науки

Вопросы для рассмотрения

Биотехнология как наука, предмет, объекты и основные цели. Этапы развития биотехнологии. Связь биотехнологии с биологическими, химическими, техническими и другими науками. Отрасли биотехнологии и их роль. Новые направления в биотехнологии. Продукты биотехнологического производства.

Определение иммунологии, как науки. История развития и основоположники иммунологии. Объекты и предмет иммунологии, место в системе наук, практическое значение, главные научные достижения. Связь между биотехнологией и иммунологией.

(Исторические аспекты использования биотехнологических процессов в жизни человека. Формирование биотехнологии, как межотраслевой области научно-практических знаний, этапы развития. Предмет, задачи и методы биотехнологии. Значение биотехнологии в жизни современного общества. Основные направления развития биотехнологии. Связь биотехнологии с биологическими, химическими, техническими и другими науками. Продукты биотехнологических производства. Тенденции развития современной биотехнологии).

Рекомендуемая литература

1. Биотехнология: В 8 т. / Под ред. Н. С. Егорова и В. Д. Самуилова. М.: Высш. шк., 1987.

2. Воробьева Л. И. Промышленная микробиология. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1989.

3. Глик Б., Пастернак Дж. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение. М.: Мир, 2002.

4. Сельскохозяйственная биотехнология. Под ред. В.С. Шевелухи – 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 2003.

В настоящий момент вряд ли у кого-нибудь может возникнуть сомнение в том, что современная биология представляет собой наиболее разнообразную область естественных наук. Действительно, она включает казалось бы совершенно не связанные между собой разделы научных знаний: микробиологию, анатомию растений и животных, биохимию, иммунологию, клеточную биологию, физиологию растений и животных, различные систематики, экологию, генетику, биофизику, математику и много других областей естествознания. Постоянно увеличивающееся разнообразие современной биологии началось после окончания второй мировой войны, когда в биологию внедрились другие естественнонаучные дисциплины, такие как физика, химия и математика, которые сделали возможным описание жизненных процессов на новом качественном уровне – на уровне клетки и молекулярных взаимодействий. Именно существенные успехи в фундаментальных исследованиях в области биохимии, молекулярной генетики и молекулярной биологии, достигнутые во второй половине текущего столетия, создали реальные предпосылки управления различными (пусть, возможно и не самыми главными) механизмами жизнедеятельности клетки. Сложившаяся благоприятная ситуация в биологии явилась мощным толчком в развитии современной биотехнологии, весьма важной области практического приложения результатов фундаментальных наук. Можно с уверенностью утверждать, что биотехнология является наиболее разительным примером того, как результаты, казалось бы "чистой науки", находят применение в практической деятельности человека. Основой, обеспечивающей благоприятную ситуацию для бурного развития биотехнологии, явились революционизирующие открытия и разработки:

• доказательства роли нуклеиновых кислот в хранении и передаче наследственной информации в биологических системах (имеются в виду индивидуальные клетки и отдельные организмы, а не их популяции);

• расшифровка универсального для всех живых организмов генетического кода;

• раскрытие механизмов регуляции функционирования генов в процессе жизни одного поколения организмов;

• совершенствование существовавших и разработка новых технологий культивирования микроорганизмов, клеток растений и животных;

• как логическое следствие из вышесказанного, явилось создание (возникновение) и бурное развитие методов генетической и клеточной инженерии, с помощью которых искусственно создаются новые высокопродуктивные формы организмов, пригодные для использования в промышленных масштабах. Абсолютно новым направлением является так называемая инженерная энзимология, возникшая вследствие развития современных методов изучения структуры и синтеза белков-ферментов и выяснения механизмов функционирования и регуляции активности этих соединений (важных элементов клетки). Достижения в этой области позволяют направленно модифицировать белки различной сложности и специфичности функционирования, разрабатывать создание мощных катализаторов промышленно ценных реакций с помощью высоко стабилизированных иммобилизованных ферментов. Все эти достижения вывели биотехнологию на новый уровень ее развития, позволяющий сознательно и целенаправленно управлять сложными клеточными процессами. Данная новая область биологических знаний и ее последние достижения уже стали крайне важными для здоровья и благополучия человека.

И все же, что ожидает биотехнологию, в случае реализации всех надежд, которые на нее возлагаются? И наконец, что же такое биотехнология и каковы ее направления деятельности?

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

Однако этот термин в те годы не получил широкого распространения. Только в 1961 г. к нему вновь вернулись после того как шведский микробиолог Карл Герен Хеден порекомендовал изменить название научного журнала "Journal of Microbiological and Biochemical Engineering and Technology" (Журнал микробиологической и химической инженерии и технологии), специализирующегося на публикации работ по прикладной микробиологии и промышленной ферментации, на "Biotechnology and Bioengineering" (Биотехнология и биоинженерия). С этого момента биотехнология оказалась четко и необратимо связана с исследованиями в области «промышленного производства товаров и услуг при участии живых организмов, биологических систем и процессов». Понятие биотехнология может быть представлено многими определениями:

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

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

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

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

Биотехнология на самом деле не что иное, как название, данное набору технических приемов (подходов) и процессов, основанных на использовании для этих целей биологических объектов.

Термин биотехнология включает составляющие «биос», «техне», «логос» греческого происхождения (от греч. «биос» – жизнь, «техне» – искусство, мастерство, умение и «логос» – понятие, учение). Таким образом, как это явствует из приведенных определений, биотехнология по существу сводится к использованию микроорганизмов, животных и растительных клеток или же их ферментов для синтеза, разрушения или трансформации (превращения) различных материалов с целью получения полезных продуктов для различных нужд человека. Биотехнологические направления имеют своей целью создание и практическое внедрение (т. е. практическое использование):

• новых биологически активных веществ и лекарственных препаратов, используемых в здравоохранении для диагностики, профилактики и лечения различных заболеваний;

• биологических средств защиты сельскохозяйственных растений от возбудителей заболеваний и вредителей, бактериальных удобрений и регуляторов роста растений и животных; новых сортов растений, устойчивых к разного рода неблагоприятным воздействиям (факторам внешней среды); новых пород животных с полезными свойствами (трансгенные животные);

• ценных кормовых добавок для повышения продуктивности сельскохозяйственных животных (кормового белка, аминокислот, витаминов, ферментов, способствующих повышению усвояемости кормов, и т. п.);

• новых биоинженерных методов для получения высокоэффективных препаратов различного назначения, используемых в сельском хозяйстве и ветеринарии;

• новых технологий создания и получения хозяйственно ценных продуктов для пищевой, химической и микробиологической промышленности;

• эффективных технологий переработки сельскохозяйственных, промышленных и бытовых отходов для получения продуктов, которые могут использоваться в других отраслях хозяйственной деятельности человека (например, биогаза, удобрений, топлива для автомобилей и т. п.).

Само собой разумеется, что такие комплексные задачи требуют интеграции различных отраслей научных и технических знаний и характеризуют биотехнологию как ряд перспективных технологий, которые найдут применение в самых разнообразных индустриальных направлениях. Интеграция биологии, химии и инженерных приемов в биотехнологии осуществляется таким путем, чтобы обеспечить максимальное использование потенциальных возможностей всех входящих в нее областей знаний. И все же, несмотря на комплексность биотехнологии, ее нельзя рассматривать как нечто единое целое, наподобие микроэлектроники. Скорее она должна рассматриваться как ряд перспективных технологий, сочетания которых будут постоянно варьировать в зависимости от конкретных практических задач.

Биотехнология – междисциплинарная область научно-технического прогресса, возникшая на стыке биологических, химических и технических знаний и призванная к созданию новых биотехнологических процессов, которые в большинстве случаев будут осуществляться при низких температурах, требовать небольшого (меньшего) количества энергии и будут базироваться преимущественно на дешевых субстратах, используемых в качестве первичного сырья. Однако следует отдавать себе отчет в том, что биотехнология не является чем-то новым, ранее не известным, а представляет собой развитие и расширение набора технологических приемов, корни которых появились тысячи лет тому назад.

Обратимся к «основным этапам биотехнологического процесса», определенных Карлом Эреки.

1. исходная обработка: обработка сырья таким образом, чтобы его можно было использовать как источник питательных веществ для микроорганизма-мишени.

2. ферментация и биотрансформация: рост микроорганизма-мишени в большом (обычно более 100 литров) биореакторе (ферментация) с последующим образованием нужного метаболита, например антибиотика, аминокислоты или белка (биотрансформация).

3. конечная обработка: очистка нужного вещества от компонентов культурной среды или от клеточной массы.

Наиболее трудным для оптимизации является этап биотрансформации. Когда использовались природные микробные штаммы, выход конечного продукта часто оказывался небольшим. Поэтому предпринимались попытки изменить штаммы-продуценты с помощью химического мутагенеза или ультрафиолетового облучения. При таком подходе уровень повышения продукции обычно лимитировался чисто биологическими факторами. Например, если мутантный штамм синтезировал слишком много того или иного вещества, часто это отрицательно влияло на прочие метаболические процессы и приводило к угнетению роста культуры при крупномасштабном культивировании. Несмотря на это традиционные стратегии «индуцированного мутагенеза и селекции», направленная на усовершенствования штамма-продуцента, были исключительно плодотворны для многих процессов, например для производства антибиотиков.

Традиционные схемы генетического усовершенствования бактерий включают скрининг, отбор и тестирование огромного количества колоний, поэтому такие схемы высокозатратны и занимают много времени. Более того, при этом можно рассчитывать только на усовершенствование уже существующих, передаваемых по наследству свойств штамма, а не на расширения его генетических возможностей. И все же к концу 70х годов таким образом были усовершенствованы производственные процессы получения целого ряда продуктов. О современных объемах биотехнологического производства можно судить, исходя из того, что в мире производится более 10¹¹ литров пива.

Биотехнологические процессы человек начал использовать в глубокой древности для получения и сохранения пищи. В основе приготовления хлеба, кисломолочных продуктов, пива, вина, уксуса, получения некоторых красок, лежат биотехнологические процессы, чаще всего, протекающие с участием микроорганизмов. Фактически, и все сельскохозяйственное производство можно отнести к биотехнологии.

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

Если говорить об этапах развития биотехнологии, то до последней трети 19 века длился первый эмпирических этап, при котором главную роль играл многовековой опыт биотехнологического производства.

В конце XIX века, благодаря трудам Пастера, были созданы предпосылки для развития микробиологии, что также сказалось и на прогрессе биотехнологии. Пастер установил, что микробы играют основную роль в процессах брожения и показал, что в образовании отдельных продуктов участвуют их конкретные виды.

Его исследования позволили оптимизировать процессы получения вина, пива и послужили основой развития в конце XIX и начале XX века бродильного производства органических растворителей (ацетона, этанола, бутанола и изапропанола) и других химических веществ, где использовались микроорганизмы, осуществлявшие превращения углеводов в процессе брожения. Были предприняты первые попытки наладить производство пищевых концентратов из дрожжей.

В 19 веке было также установлено, что вместо живых организмов можно использовать продукты их жизнедеятельности – ферменты. Еще в 1814 году петербургский академик К. С. Кирхгоф открыл явление биологического катализа и пытался биокаталитическим путём получить сахар из доступного отечественного сырья (до середины XIX века сахар получали только из сахарного тростника).

В 1891 году японский биохимик Такамине получил первый патент в США на использование ферментных препаратов в промышленных целях: учёный предложил применить диастазу для осахаривания растительных отходов.

Такой важный раздел как разработка и производство вакцин и сывороток для предупреждения инфекционных заболеваний человека и животных начал развиваться после эпохальных открытий Пастера, Коха и Беринга, сделанных в конце 19 века.

Во время первой мировой войны в Германии в промышленных масштабах выращивали дрожи Saccharomyces cerevisiae, которые добавляли в колбасу и супы, компенсируя 60% довоенного импорта пищевых продуктов.

Важным этапом в развитии биотехнологии получения ценных веществ была организация промышленного производства антибиотиков. Отправной точкой здесь было открытие Флеминга, которое было подкреплено работами Флори и Чейна по промышленному получению пенициллина (1940 г).

Нельзя не сказать об использовании микроорганизмов для минерализации различных отходов. Процесс минерализации органических отбросов, основанный на использовании активного ила был разработан в 1914 г. С тех пор он был существенно модернизирован и используется во всём мире для переработки стоков. При современной переработке стоков в анаэробных условиях смешенной микрофлоры, попутно получают биогаз (состоит, в основном, из метана и углекислого газа). Такая переработка энергетически эффективна, так как позволяет сохранить и концентрировать энергию, содержащуюся в различных отходах. При этом регенерируется более 80 % свободной энергии. С помощью этого процесса можно получать значительную часть необходимой энергии.

После второй мировой войны появились новые направления в биотехнологии. В сельском хозяйстве – новые методы селекции растений и животных (включая клонирование).

В химическом производстве – получение органических кислот (например, лимонной), ферментов для моющих средств.

В энергетике- крупномасштабное производство этанола как жидкого топлива.

В пищевой промышленности- создание новых методов переработки и хранение пищевых продуктов, получение пищевых добавок, аминокислот, использование белка, синтезированного одноклеточными организмами и ферментов при переработке пищевого сырья. В мире с помощью микробиологического синтеза производится более 150 тыс. тонн глутамата натрия и 15 тыс. тонн лизина.

Микроорганизмы стали использоваться в получении металлов, путем выщелачивания руд.

В медицине – стали применять лечебные ферменты, стероиды, новые антибиотики.

Биотехнология – наукоемкая отрасль. Целью биотехнологических исследований является максимальное повышение эффективности каждого из этапов биотехнологического производства и поиск микроорганизмов, с помощью которых можно получить нужные вещества. В 60-70е гг. прошлого века все эти исследования касались только исходной обработки сырья, устройства биореакторов и получения конечного продукта. Благодаря этому был усовершенствован инструментальный контроль процесса ферментации и значительно расширены возможности крупномасштабного культивирования, что позволило повысить эффективность производства.

До 70-х годов традиционная биотехнология, как научная дисциплина, была не слишком известна и представлялась скорее, как инженерная химия с микробиологическим уклоном. Т.е. в то время биотехнология занималась производством коммерческих продуктов, образуемых микроорганизмами в результате их жизнедеятельности. Тогда же было дано формальное определение биотехнологии, как «Наука о научных и инженерных принципах переработки материалов живыми организмами с целью создания товаров и услуг» или еще более точное определение: «биотехнология – наука о промышленном производстве товаров и услуг при участии живых организмов, биологических систем и процессов».

В настоящее время идет этап молекулярно-биотехнологической революции. Формально началом можно считать 15 октября 1980 г.

15 октября 1980 г. на Нью-Йорской фондовой бирже произошло знаменательно событие: уже через 20 минут после начала торгов стоимость 1 акции биотехнологической компании Genentech поднялась с 35 до 89 $. Это был рекордный для того времени скачек цен на акции коммерческого предприятия. К моменту закрытия торгов в этот день, цена одной акции Genentech составляла 71,25 $ , а стоимость всех 528 000 акций была столь баснословно высока, что мелкие инвесторы, собиравшиеся приобрести небольшой пакет акций, не имели никаких шансов.

По-видимому, это был 1-й случай в истории, когда о начале революции возвестил биржевой колокол. В 1980 г., когда фирма Genentech впервые предложила обществу свои акции, это была не большая компания в Калифорнии, в течение 4 лет успешно работавшая над проблемой получения рекомбинантных ДНК. Ученым компании удалось выделить фрагменты гена (последовательности ДНК), кодирующие человеческий инсулин, и перенести их в генетические элементы (клонирующие векторы), способные реплицироваться в клетках обычной кишечной палочки (E. coli). Эти бактериальные клетки работали как биологические фабрики по производству человеческого инсулина, который после соответствующей очистки мог использоваться как лекарственный препарат для больных диабетом, дающих аллергическую реакцию на свиной инсулин. Еще 10 лет назад такое развитие событий представлялось нереальным, но сегодня это стало вполне привычным.

Головокружительный взлет стоимости акций компании Genentech предопределялся как реальной оценкой потенциала технологии рекомбинантных ДНК, так и мечтами о будущих возможностях. Многие думали, что новая технология станет тем рогом изобилия 20 в., который напоит и накормит всех желающих.

Эти мечты подпитывались энтузиазмом газетных и журнальных публикаций и телевизионных репортажей. Воображение будоражили полчища удивительных микробов, растения и животные, созданные человеком. Энтузиасты предрекали, что генно-инженерные микробы вытеснят химические удобрения, будут уничтожать разливы нефти; появятся растения с передающимися по наследству устойчивостью к вредителям и исключительно высокой питательной ценностью; будут созданы сельскохозяйственные животные, более эффективно усваивающие пищу, быстро прибавляющие в весе и дающие не жирное мясо. Казалось, что коль скоро конкретные биологические свойства обусловливаются одним или несколькими генами (единицами наследственности), создание организмов с новым генетическим устройством не составит труда. И в самом деле, хотя шумиха, поднятая вокруг новой технологии, была не совсем адекватной, увлечение этой идеей имело основания. Прошло немногим более 15 лет, и многие наиболее разумные проекты стали реальностью.

Что же стало предпосылками молекулярно-биотехнологической революции?

История развития молекулярной биотехнологии:

В широком смысле молекулярная биотехнология пользуется достижениями самых разных областей науки и применяет их для создания самых разных коммерческих продуктов (рис.1)

Рис. 1. молекулярная биотехнология использует достижения многих областей науки и позволяет создавать широкий ассортимент коммерческих продуктов и методов.

В целом, биотехнологическая составляющая молекулярной биотехнологии относится к сфере промышленной микробиологии и химической инженерии, а молекулярная – к областям молекулярной биологии, молекулярной генетики бактерий и энзимологии нуклеиновых кислот.

Коммерциализация молекулярной биотехнологии.

Конечной целью всех биотехнологических исследований является создание коммерческого продукта. Следовательно, молекулярная биотехнология тесно связана с экономикой. Конечно, сейчас ее развитие обусловливается не только экономическими факторами, однако на первых парах ажиотаж вокруг этой молодой науки был связан с возможностью получения прибыли. К вечеру 15 октября 1980 г. основные держатели акции фирмы Genentech стали обладатели миллионных состояний и это побудило очень многих людей к энергичным действиям. В период 1980-1983 гг. в США было создано около 200 мелких биотехнологических компаний; этому способствовали введения налоговых льгот, высокие прибыли от операций с ценными бумагами и заинтересованность частных вкладчиков. В след за Гербертом Бойером, который вначале был научным сотрудником калифорнийского университета в Сан-Франциско, а затем стал президентом фирмы, многие университетские профессора открыли собственные компании.

К 1985 году в США было уже более 400 биотехнологических фирм; многие из них включали в свое название слово «ген», чтобы заявить о принадлежности к генноинженерному «цеху»: Biogen, Amgen, Calgene, Engenics, Genex, Cangene. На сегодняшний день в США свыше 1500 биотехнологических компаний, а во всем мире их более 3000. Кроме того, большой вклад в развитие молекулярной биотехнологии внесли все крупные международные химические и фармацевтические компании, в том числе Monsanto, Du Pont, Upjohn, American Cyanamid, Hoffman-LaRoche. В период бурного развития биотехнологического бизнеса в 80-е годы мелкие компании поглощались крупными, образовывались совместные предприятия. Например, в 1991 году 60% акции компании Genentech было продано фирме Hoffman-LaRoche за 2,1 млрд. $. В тоже время многие компании обанкротились. Такай мобильность – характерная особенность биотехнологических индустрий.

К середине 90х годов на рынке появилось более десятка новых биотехнологических лекарственных препаратов, более 100 препаратов проходят сейчас клинические испытания, еще свыше 500 находится на стадии разработки. Создано и выпущено на рынок множество молекулярных и биотехнологических продуктов, повышающих урожайность сельскохозяйственных культур и продуктивность сельскохозяйственных животных. Ежегодные доход молекулярно-биотехнологической индустрии увеличился с 6 млн. долларов в 1986 году до примерно 30 млрд. долларов в 1996 году. В 2000 году объем продаж продуктов, изготовленных с применением молекулярной биотехнологии, превысил 60 млрд. долларов в году, а в 2010 г 1 триллион $. И хотя, в целом, доходность биотехнологического бизнеса оказалась не такой высокой, как ожидалась, энтузиазм инвесторов не ослабевает и свидетельствует о том, что молекулярная биотехнология – по крайней мере, по их представлениям имеет блестящие перспективы.

Все новые независимые молекулярно-биотехнологические компании узко специализированны, что часто находит отражения в их названии, например, вслед за компаниями, занимающимися клонированием гена, в США появились компании, выпускающие полученные генно-инженерными методами антитела, которые предназначены для лечения инфекционных заболеваний, рака и других болезней человека: Immunex, ImmuLogic, ImmunoGen, Immynomedics, Medlmmune, Immune Response.

Большая часть коммерческих разработок в области молекулярной биотехнологии приходится на США. В других странах, где инвестиционный климат не столь благоприятен и бизнес менее активен, главную роль в создании молекулярно-биотехнологических предприятий играют крупные корпорации и государство. Так, правительство Японии объявило биотехнологию «стратегической индустрией» и национальным приоритетом. За дело взялись крупные японские корпорации. Вначале им не хватало собственных кадров, и первые исследования проводились в сотрудничестве с американскими университетами и компаниями. Сейчас эти корпорации приобрели необходимый опыт и сами проводят молекулярно-биотехнологические разработки, и создают генно-инженерные продукты.

Европейская биотехнологическая индустрия тоже неуклонно развивается: к 1995 г. в странах Европы было создано более 600 биотехнологических компаний. В экономически менее развитии национальной молекулярно-биотехнологических индустрии взяло на себя государство. Стимулом здесь служила уверенность в том, что молекулярная биотехнология – «сама революционная из всех технологий XX века». Ни одни страна не хотела оказаться лишенной всех тех благ, которые сулило ее развитие.

Сейчас, в конце второго десятилетия своего развития, молекулярная биотехнология фактически стала одной из отраслей промышленности, хотя вначале некоторые ученые считали ее чисто эзотерическим направлением. Без сомнения, в ближайшие десять лет коммерческую молекулярную биотехнологию ожидает бурный рост, но именно поэтому давать какие-то конкретные прогнозы здесь весьма рискованно.

Надежды и опасения

С молекулярной биотехнологией человечество связывают самые больше надежды:

· возможность точной диагностики, профилактики и лечения множества инфекционных и генетических заболеваний

· значительное повышение урожайности сельскохозяйственных культур путем создания

Но общественность интересуют вопросы, как безопасность экспериментов, негативное влияние на окружающую среду, патентование организмов, полученных генно-инженерными методами.

ИММУНОЛОГИЯ

Предлагаемый Вашему вниманию курс «Основы иммунологии» направлен, прежде всего, на получение элементарных сведений о свойственных высшим животным и человеку механизмах защиты их внутренней среды от чужеродных органических молекул.

Необходимость такой защиты вытекает из понимания того, что в основе существования любого организма (начиная от самой простой по строению клетки и заканчивая человеком) лежит упорядоченное физико-химическое взаимодействие составляющих этот объект молекул. Причем порядок последовательных взаимодействий определяется имеющейся в этом организме наследственной информацией и является высоко специфическим, поскольку складывался он в ходе длительной эволюции ныне существующих видов. Исходя из этого, во внутреннюю среду организмов из окружающей среды, условно говоря, допускаются только те молекулы, присутствие которых не сможет нарушить запрограммированный ход метаболических процессов.

У одноклеточных организмов, а также у питающихся диффузионно через поверхность тела растений и грибов проблема защиты от проникновения дестабилизирующих метаболизм агентов решается в основном за счет избирательной проницаемости мембран клеток. Но у многоклеточных животных большинство клеток непосредственно с окружающей организм средой не контактируют и эволюционно приспособлены к существованию в относительно постоянных условиях тканевой жидкости, которая и является для них окружающей средой. В этом случае проблема сводится к предотвращению попадания ненужных организму молекул в тканевую жидкость или максимально быстрому их удалению, если проникновение все-таки произошло. Для решения этой проблемы и существует развившаяся в ходе эволюции животных специализированная система органов, клеток и продуцируемых этими клетками молекул, называемая иммунной системой.

Следует отметить, что дестабилизацию нормального состояния внутренней среды могут вызвать и собственные клетки и молекулы организма, если они изменяются в течение жизни. Учитывая то, что организм млекопитающего, например взрослого человека, состоит из 10¹² – 10¹³ клеток, причем многие клетки постоянно возобновляются, а частота мутаций конкретных генов колеблется в пределах 10^–6 –10^–12, можно предполагать появление довольно значительного количества генетически измененных клеток. Распознавание и элиминация таких клеток, по всей вероятности, также является задачей иммунной системы, что находит косвенное подтверждение в следующих фактах: у больных, которые длительное время получали иммунодепрессирующую терапию (например, при пересадке органов), а также у детей, имеющих врожденные дефекты иммунной системы, частота встречаемости злокачественных (раковых) опухолей в десятки и сотни раз выше, чем у здоровых.

Название этой системы сложилось исторически и в основе этого лежит первоначальное понимание человечеством болезней (по сути своей являющихся наиболее наглядным проявлением дестабилизации нормального состояния организма) как налагаемой на человека силами природы (в тогдашнем понимании – Богом) дани. С этой точки зрения те, кто в течение жизни не заболевал какой-либо болезнью или, переболев данной болезнью, не заболевал вторично, считались от такой дани освобожденными или обладающими иммунитетом, поскольку в латинском языке immunitas означает освобождение от уплаты налагаемых государством налогов и воинской обязанности. С развитием наук и постепенным отказом от идеалистических представлений о природе становилось понятным, что не следует относиться к болезням как к ниспосланному свыше неизбежному злу и что человек сам способен защитить себя от инфекционных заболеваний, однако слово не только не исчезло из научного лексикона, но и легло в основу названия науки, призванной объяснить, как именно организм защищается от таких болезней.

Возникновение иммунологии как науки связано с изучением болезней человека не случайно. Во второй половине XIX века, благодаря ис-следованиям Луи Пастера, Роберта Коха и ряда других исследователей удалось доказать, что причиной заразных болезней являются проникающие извне микроорганизмы. Стало также понятно, что в основе развития симптомов конкретного заболевания лежат специфические различия возбудителей, а проявления защиты человеческого организма от воздействия этих разных возбудителей в целом оказываются схожими. Следовательно, помимо изучения собственно болезнетворных микроорганизмов, существенным становилось выяснение тех особенностей организма человека, которые определяют защиту от возбудителей. В современном понимании инфицирование организма каким-либо микроорганизмом  это типичнейшее проявление попадания во внутреннюю среду несвойственных этой среде изначально (т. е. чужеродных) молекул и борьба макроорганизма с болезнетворным микроорганизмом по сути является борьбой именно с этими молекулами. Исходя из этого, изучение причин возникновения иммунитета к инфекционным болезням являлось практически изучением той системы, которая призвана защищать внутреннюю среду от вторжения всего чужеродного, в том числе и не связанного непосредственно с развитием болезней. Это в целом и подтвердилось дальнейшим ходом развития иммунологии как науки.

Краткий исторический очерк развития иммунологии

Предпосылками развития иммунологии большинство исследовате-лей считают накопленный человечеством опыт наблюдений за развитием инфекционных заболеваний. С незапамятных времен отмечалось, что в период распространения заразных болезней некоторые из ранее перебо-левших данной болезнью людей не заболевали вторично. Более того, имеются исторические сведения, что в Древнем Китае (около 590 года до нашей эры), а также в античные времена в Индии применялось заражение людей натуральной оспой с целью сделать их невосприимчивыми в период эпидемий. Для этого корочки из оспенных пустул на теле выздоравливающих вдыхали через нос или наносили материал из оспенных поражений на кусочки хлопковой ткани, выдерживали в течение года и затем прикладывали к специально сделанным царапинам на коже. В Европе практику такой защиты от оспы относят к времени правления короля Англии Георга I, когда жена британского посла в Константинополе леди Mary Wortley Montagu привезла с Востока метод введения заразного материала из оспин болеющих в вену реципиентов с помощью большой иглы. Процедура была небезопасной, поскольку часто приводила не только к тяжелому заболеванию оспой, но и к развитию других тяжелых заболеваний, в частности сифилисом и лепрой. Тем не менее король Георг I воспринял это восточное новшество благосклонно и даже дал указание проделать подобную процедуру с двумя своими внуками, что способствовало распространению этого приема защиты от оспы на Британских островах. Несмотря на существенный риск, люди соглашались на данную процедуру, поскольку во времена Георга I из 100 человек 60 заболевали оспой и половина из заболевших умирали от болезни.

В 1758 году врач из Эдинбурга Френсис Хоум (Francis Home) при-менил такой же принцип для защиты от кори: он переносил с помощью ватных тампонов материал с пораженных коревой сыпью участков кожи больных на царапины на теле прививаемых, и 7 из 15 подвергнутых такому воздействию пациентов переболели корью в наименее выраженной форме, получив иммунитет к этому заболеванию на время дальнейшей жизни.

Следующим шагом в этом направлении стали эксперименты Эдварда Дженнера (Edward Jenner, годы жизни 1749–1823). Опираясь на ранее сделанные фермером из окрестностей Дорчестера по имени Бенджамин Джестай (Benjamin Jesty) наблюдения, согласно которым люди случайно или намеренно заражаемые коровьей оспой в дальнейшем не болели натуральной черной оспой, в 1976–1978 годах Дженнер провел направленное заражение нескольких своих пациентов материалом из оспенных пустул на вымени коров и убедился, что пациенты действительно приобрели иммунитет против натуральной оспы. Результаты своих исследований по вакцинации (название было дано от латинского наименования коров  vacca) он изложил в статье «Inquiry of 1798», которую представил в Королевское научное общество (the Royal Society). По началу исследования Дженнера были подвергнуты критике, но затем в 1802 году он получил парламентские субсидии для развития оспопрививания и организовал специальный институт в Лондоне, после чего оно стало распространяться по разным странам: врач из Гарварда Бенджамин Вотерхауз (Benjamin Waterhouse) широко распространил оспопрививание по методике Дженнера в Северной Америке, французский император Наполеон приказал провести прививки личному составу своей армии, а первый получивший прививку в России крестьянский мальчик получил в честь этого знаменательного события фамилию Вакцинов.

Однако, несмотря на практическое использование вакцинации, понимание причин возникновения у прививаемых иммунитета стало воз-можным только после открытия Антони ван Левенгуком (Leeuwenhoek, 1632–1723) мира микроорганизмов и создания Луи Пастером (Pasteur, 1822–1895) зародышевой теории инфекционных болезней, согласно которой причиной заболевания является проникновение в организм болез-нетворных бактерий. Разработанный Робертом Кохом (Koch, 1843–1910) метод выделения чистых культур бактерий позволил не только одно-значно доказать причастность бактерий к развитию заболеваний, но и ус-тановить, что именно контакт макроорганизма с возбудителем делает его иммунным. В 1881 году Пастером и его сотрудниками было установлено, что заражение животных длительно выращиваемыми на питательных средах бактериями, вызывающими куриную холеру, не приводит к развитию симптомов заболевания, но делает этих животных устойчивыми к куриной холере. Подобного рода ослабление вирулентности болезнетворных микроорганизмов получило название аттенюации и было применено для направленного, научно обоснованного создания вакцинных препаратов.

Одновременно становилось очевидным, что в результате контакта с возбудителем в макроорганизме появляются какие-то отсутствующие до этого защитные факторы. Направленный поиск таких факторов стал основной задачей, и в 1890 году в институте Роберта Коха в Берлине Эмиль фон Беринг (Behring, 1854–1917) и Шибасабуро Китасато (Shibasaburo Kitasato, 1852–1931) продемонстрировали присутствие в крови иммунизируемых столбнячными или дифтерийными бактериями животных специфических белков, названных ими антитоксинами. Введение сывороток крови таких животных интактным, никогда не контактировавшим с возбудителями столбняка или дифтерии организмам приводило к появлению у последних выраженной устойчивости к данным заболеваниям. Это было первым научным, экспериментально полученным доказательством выработки макроорганизмом специфических веществ в ответ на присутствие болезнетворных микроорганизмов, поэтому ряд авторов предлагают считать 1890 год годом основания иммунологии как науки о защитных силах организма.

В дальнейшем детальным изучением защитных веществ плазмы крови начал активно заниматься немецкий ученый Пауль Эрлих (Ehrlich, 1854–1915). Подробно исследуя лечебные свойства сывороток иммунных животных, он показал, что антитела (так стали называть открытые Бе-рингом и Китасато антитоксины) относятся к глобулиновой фракции белков плазмы крови, что они способны передаваться через плаценту из организма матери в организм развивающегося плода, что выработка антител происходит не только при контакте с болезнетворными микроорганизмами или их токсинами, но и при введении в кровь других органических веществ. Из исследований Эрлиха вытекало, что основу защиты организма от чужеродных агентов определяют растворенные в плазме крови вещества, и подобного рода воззрения к концу XIX века получили название гуморальной теории иммунитета.

Однако не все занимающиеся проблемой инфекционных заболеваний исследователи придерживались мнения, что защита макроорганизма от инфекции определяется только гуморальными факторами. Начатые в 1982 году исследования русского ученого Ильи Мечникова (1845–1916) указывали на то, что лейкоциты крови млекопитающих способны активно поглощать и уничтожать болезнетворные микроорганизмы в ходе процесса, названного фагоцитозом. Возглавив по предложению Луи Пастера специально созданную для изучения фагоцитоза лабораторию в

Пастеровском институте в Париже, Мечников к началу XX века стал основоположником фагоцитарной теории, или теории клеточного иммунитета. Дальнейшие исследования, проводимые приверженцами этих теорий, привели к слиянию формировавшихся направлений, что и нашло отражение в присуждении Нобелевской премии по физиологии и медицине 1908 года совместно И.И.Мечникову и Паулю Эрлиху. Фактически именно эта премия стала признанием иммунологии как особой отрасли знаний, поскольку Нобелевская премия 1901 года, присужденная Эмилю фон Берингу, все-таки была премией медицинской – «…за работы по серотерапии, и прежде всего за ее использование в борьбе с дифтерией».

С этих пор Нобелевские премии (ил.1. Все иллюстрации к курсу лек-ций приводятся в конце книги в разделе Приложение, стр.148), традиционно считающиеся показателем значимости для человечества той или иной области науки, стали своеобразным отражением развития иммунологии в XX столетии.

Параллельно с развитием основной на тот период ветви иммуно-логии, непосредственно связанной с инфекционными болезнями, в конце XIX века были заложены основы двух новых направлений, условно относящихся к так называемой неинфекционной иммунологии.

Французский исследователь Шарль Рише (Richet, 1850–1935), изучая влияние токсических веществ морских беспозвоночных на собак, уста-новил, что организм последних способен отвечать на повторное введение небольших доз токсина чрезвычайно бурной, не наблюдавшейся при пер-воначальном введении препарата реакцией. Он назвал это явление ана-филаксией (т. е. «обратной профилактикой») и посвятил его изучению последующие десять лет. В ходе такого изучения выяснилось, что случаи нежелательных реакций организмов людей и животных на профилакти-ческое и терапевтическое введение сывороток, а также аллергические реакции на различные вещества фактически являются проявлениями ана-филаксии. В опубликованной в 1912 году монографии «Анафилаксия» Рише обобщил результаты своих исследований, из которых следовало, что иммунная система имеет отношение не только к защите от инфекци-онных болезней. Эта работа была удостоена Нобелевской премии 1913 года.

Еще одна ветвь иммунологии зародилась в ходе исследований, имев-ших непосредственное отношение к защите от инфекционных заболеваний. Изучая в конце XIX века в лаборатории Мечникова в Пастеровском институте механизмы лизиса бактерий под влиянием белков плазмы крови, Жюль Борде (Bordet, 1870–1961) не только открыл (совместно с Пфейффером) систему комплемента, но и обнаружил, что иммунная система способна реагировать на чужие клетки крови так же, как и на болезнетворные микроорганизмы. И хотя сам Борде получил Нобелевскую премию 1919 года за исследования комплемента (т. е. в рамках инфекционной иммунологиии как научного направления), в сущности, продолжая его исследования по иммунному отторжению эритроцитов, Карл Ландштейнер (Landsteiner, 1868–1943) открыл группы крови человека, за что в 1930 году был также удостоен Нобелевской премии.

Помимо огромного медицинского значения, заключавшегося в разработке безопасной системы переливания крови, эта ветвь иммунологии дала доказательства существования различий конкретных индивидуумов на клеточном уровне и реагирования на эти различия иммунной системы, что во многом определило развитие иммунологии в XX веке. Фактически проблема отторжения пересаживаемых тканей и органов становилась проблемой иммунологической и занимавшийся изначально пересадками кожи Питер Брайн Медавар (Medawar, 1915–1987) получил широкую известность именно как иммунолог. Работы Медавара и сотрудников стали экспериментальным подтверждением опубликованной в 1949 году общей теории иммунитета Фрэнка Макфарлейна Бёрнета (Burnet, 1899–1985), согласно которой иммунная система формируется в процессе эмбрионального развития и именно в этот период организм приобретает иммунную нечувствительность (толерантность) к собственным молекулам и клеткам. За исследование приобретенной иммунологической толерантности оба эти исследователя получили Нобелевскую премию 1960 года.

Продолжением исследований в этом направлении стали работы Джорджа Девиса Снелла (Snell, 1903–1996). В руководимых им исследованиях было установлено, что у мышей имеется 14 систем генов, определяющих реакции отторжения при пересадках тканей. Одна из таких групп генов, названная Н2-система (от англ. hystocompatibility – тканевая совместимость), оказалась причастной и к развитию других иммунных реакций. Жан Доссе (Jean Dausset, 1916), исследуя антигенные свойства лейкоцитов, обнаружил существование подобных систем генов у человека и назвал их HLA (от англ. Human Leucocytes Antigens – человеческие лейкоцитарные антигены). Проведенные в различных лабораториях мира исследования показали аналогичность Н2-системы мышей и HLA-системы человека, и утвердилось представление о существовании у всех высших животных подобных генетических систем, получивших общее название «главный комплекс гистосовместимости» или сокращенно МНС (от англ. Major Hystocompatibility Complex). Исследуя роль входящих в комплекс генов, Барух Бенасерраф (Benacerraf, 1920) и его коллеги сумели установить причастность продуктов этих генов – специфических поверхностных молекул клеток высших организмов не только к отторжению пересаженных тканей, но и к развитию любых иммунных реакций, в том числе и приводящих к продукции антител. Так утвердилось новое направление в иммунологии, получившее название иммуногенетика, а его основатели Снелл, Доссе и Бенасерраф стали лауреатами Нобелевской премии 1980 года.

Тогда же, в 60-х годах XX века, в основном благодаря работам Родни Портера (Porter, 1917–1985) и Джеральда Эдельмана (Edelman, 1929) удалось расшифровать молекулярную структуру антител и их антиген-связывающих центров, за что эти исследователи получили Нобелевскую премию 1972 года.

Установленная еще в самом начале развития иммунологии высо-чайшая специфичность связывания антител с вызывающими их продукцию антигенами, с одной стороны, в ХХ веке получила широкое применение для очистки и идентификации органических молекул, а с другой стороны, стимулировала исследования, направленные на выяснение причин столь огромного разнообразия антител и распознающих антигены клеточных рецепторов. Две Нобелевские премии 80-х годов как раз и отражают эти два направления в развития иммунологии в середине второй половины ХХ века.

Обладателями Нобелевской премии 1984 года стали Нильс Ерне (Jerne, 1911–1994), Георг Кёллер (Köhler, 1946–1995) и Цезарь Мильштейн (Milstein,1927–2002). Удостоенным столь высокой награды достижением этих исследователей было создание метода, позволяющего получать суспензии абсолютно одинаковых по специфичности, так называемых моноклональных, антител, применение которых в биологических и медицинских исследованиях оказалось очень высокоэффективным. В то же время прогресс молекулярной биологии позволил Сусуму Тонегава (Tonegawa, 1936) показать, как генетические перестройки в хромосомах лейкоцитов обеспечивают фантастически богатое многообразие антител и антигенраспознающих рецепторов, что также было удостоено в 1987 году Нобелевской премии.

Таким образом, формировавшаяся первоначально как чисто при-кладная отрасль медицины иммунология за 100 лет превратилась в одну из ведущих современных биологических наук, достижения которой не только позволили найти эффективные способы борьбы с бактериальными и вирусными заболеваниями, но и объяснить в какой-то мере, чем и как определяется индивидуальность на клеточном уровне и как реализуется взаимодействие клеток млекопитающих между собой. Последняя Нобелевская премия XX века за исследования в области иммунологии является своеобразным отражением слияния инфекциионной и неинфекционной иммунологии, поскольку присуждена за исследования, описывающие роль конкретных молекул во взаимодействиях клеток иммунной системы в период развития иммунных ответов на антиген. Ее обладателями стали Питер Догерти (Doherty, 1940) и Рольф Цинкернагель (Zinkernagel, 1944), которые доказали участие белков главного комплекса гистосовместимости в представлении чужеродных антигенов иммунокомпетентным клеткам.

Произошедший во второй половине XX века переход иммунологии на молекулярный уровень исследования несколько изменил задачи им-мунологии как науки. Несмотря на то, что предметом изучения для им-мунологов по-прежнему остается иммунная система в целом и ее роль в защите организма от чужеродных объектов, основные усилия иммунологов начала XXI века направлены на выяснение механизмов регуляции деятельности иммунокомпетентных клеток и конкретной роли образуемых этими клетками молекул в ходе реализации такой защиты. Подобного рода задачи стоят перед так называемой теоретической иммунологией, в то время как прикладная иммунология, опираясь на результаты исследований теоретического плана, имеет в качестве главных задач разработку новых и улучшение уже имеющихся вакцинных препаратов, поиск подходов для применения регуляторных молекул (прежде всего интерлейкинов и других цитокинов) в качестве лекарственных средств при инфекционных болезнях и при имму-нопатологических состояниях, разработку новых и усовершенствование уже существующих иммунологических методов исследования, применяемых не только в медицинской практике, но и во всех областях современной биологии.

Уже даже из краткого изложения истории развития иммунологии как науки можно понять, что арсенал используемых иммунологами ме-тодов необычайно широк. Исходя из особенностей строения и функцио-нирования иммунной системы, для ее изучения приходится привлекать весь основной методический аппарат анатомии, физиологии, гистологии и цитологии высших животных, биохимические методы очистки и опре-деления различных свойств органических молекул, а на современном этапе и все методы молекулярной биологии и генетической инженерии, включая клонирование и экспрессирование отдельных генов, секвениро-вание белков и нуклеиновых кислот, направленное получение мутаций путем замены генов и получение клеточных линий с конкретными гене-тическими нарушениями. Естественно, что все методы в той или иной степени адаптируются и модифицируются применительно к объектам исследования, что и приводит к появлению специфических, применяющихся только в исследованиях иммунной системы методов. В то же время разрабатываемые изначально в рамках иммунологических исследований методы, в которых используются антитела, в настоящее время приняты на вооружение большинством биологических наук, поскольку их высочайшая разрешающая способность и эффективность доказана всем ходом развития биологии в конце XX века.