Этапы развития биотехнологии.

Лекция 1. Введение в биотехнологию.

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

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

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

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

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

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

Согласно нему биотехнология – это наука, которая на основе применения знаний в области микробиологии, биохимии, генетики, генной инженерии, иммунологии, химической технологии, приборо- и машиностроения используют биологические объекты (микроорганизмы, клетки тканей животных и растений) или молекулы (нуклеиновые кислоты, белки, ферменты, углеводы и др.) для промышленного производства полезных для человека и животных веществ и продуктов.

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

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

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

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

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

4. «Серая» - природоохранная деятельность, биоремедиация;

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

Понятие «биотехнология» может быть представлено многими определениями:

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

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

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

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

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

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

На клеточном уровнеимеют дело с

- бактериальными клетками (для получения вакцинныхт препаратов);

- актиномицетов (при получении антибиотиков),

- микромицетов ( при получении лимонной кислоты),

- животных клеток (при изготовлении противовирусных вакцин),

- клеток человека (при изготовлении интерферона) и др.

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

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

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

Продукты одноклеточных делят на 4 категории:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Этапы развития биотехнологии.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

- 1892 г. Д. Ивановский открыл вирусы.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

- Разработка теории электрофореза;

- Обнаружение вирусов с помощью электронного микроскопа;

- Производство пенициллина в промышленных масштабах;

- Процесс конъюгации у E. Coli;

- Разработка вакцины против желтой лихорадки;

- Описание плазмиды как внехромосомного фактора наследственности;

- Расшифровка структуры ДНК;

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

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

-метод получения моноклональных антител;

- метод анализа первичной структуры ДНК путем химической деградации;

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

- 1982 год – в продажу поступил впервые человеческий инсулин;

- 1986 г. – метод полимеразной цепной реакции;

и т.д.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: