БИОТЕХНОЛОГИИ
Биотехнология как наука возникла на стыке биологических, химических и технических наук.
Голландский ученый Е. Хаувинк (1984) историю биотехнологии условно разделил на пять основных этапов (периодов), которые вследствие их важности для развития биотехнологии иногда не совсем строго называют «эрами» /4/.
Биотехнология, связанная с процессами брожения: получение пива, вина, сыра, хлеба. Опыт получения ферментированных продуктов передавался человеком из поколения в поколение на протяжении тысячелетий, хотя о причинах брожения и о том, как оно осуществляется, ему еще ничего не было известно. Только в XIX в. французский ученый Луи Пастер указал на специфическое воздействие микроорганизмов на субстрат, что послужило основой для изучения физиологии микробов. Он доказал, что представители микромира отличаются не только внешним видом, но и особенностями обмена веществ. Тем самым он заложил основы сознательного управления технологическими процессами, в которых микроорганизмы играют ведущую роль. Луи Пастер положил начало технической микробиологии и по праву считается одним из отцов современной биотехнологии, в том числе пищевой.
. Послепастеровская эра (1866-1940).
Именно в этот период было раскрыто огромное многообразие форм жизни в микромире и вместе с тем отмечено биохимическое единство этого многообразия, что способствовало промышленному использованию микроорганизмов во второй половине XX в. Освоение новых биологических методов определило развитие биохимии, вирусологии, генетики, цитологии, биофизики и других наук. Налажено производство этанола, бутанола, ацетона, глицерола, органических кислот и вакцин. Освоено производство кормовых дрожжей из углеводородов с использованием микроорганизмов, разработана аэробная очистка канализационных вод.
В. С. Буткевич и С. П. Костычев выявили общие для дыхания и брожения стадии превращения глюкозы до пировиноградной кислоты. Доказали, что органические кислоты образуются в результате жизнедеятельности грибов, что позволило создать промышленное производство лимонной кислоты. С. А. Королев и А. Ф. Войткевич разработали теоретические основы сущности микробиологических процессов при выработке, хранении и созревании молочных продуктов, значительно расширив представление о физиологии молочнокислых бактерий. Благодаря исследованиям В. Н. Шапошникова появилась возможность промышленного производства молочной кислоты, органических растворителей.
. Эра антибиотиков (1941-1960).
Спустя 12 лет после открытия зеленой кистевидной плесени Penicillium notatum, продуцирующей антибиотик, Александр Флеминг - автор открытия писал: «Не стоит трудиться ради того, чтобы получить пенициллин». Однако с началом Второй мировой войны возникла острая потребность в этом препарате. Англичане X. Флори и Э. Чейн (Оксфордский университет) получили очищенный от примесей желтый порошок пенициллина и успешно испытали его на мышах, предварительно зараженных патогенными бактериями. Началась интенсивная работа по поиску активных продуцентов антибиотиков, получению мутантов с измененным наследственным материалом, обладающих способностью к сверхсинтезу, а также разработка методов культивирования грибов, создания технологических схем крупномасштабного производства. Получение пенициллина (в 1945 г. его производство достигло уже 0,5 т) стало важным этапом в становлении современной биопромышленности, а главные лица (А. Флеминг, X. Флори и Э. Чейн), участвовавшие в его создании, получили в 1945 г. Нобелевскую премию.
Вместе с тем, хотя биотехнологические процессы в основном связаны с микроорганизмами, уже в эти годы не менее существенную роль сыграло использование клеток животных и растений.
С начала 50-х годов XX в. вирус полиомиелита для производства вакцины выращивается в культурах клеток млекопитающих. Именно в эти годы линии культур клеток человека стали незаменимыми для выделения и выращивания ряда других вирусов, при производстве высокоспецифических белков (антител и интерферонов), в исследованиях рака и в противовирусной химиотерапии.
В этот же период широко используется культура растительной ткани, техника которой была значительно усовершенствована в 1937 г. В том же году Р. Готре разработал метод культивирования недифференцированной ткани моркови. Отделенный от родительского растения каллюс он фрагментировал и культивировал в новой культуральной среде, содержащей гормон роста - ауксин. Такие культуры тканей можно сохранять в течение десятилетий. В 1954 г. в Германии получена культура из отдельных растительных клеток. Позже подобные методы получили должное развитие. В 1957 г. специалисты добились образования у культуры корней и стеблей, предварительно обработав каллюс растительными гормонами. Позже Морель сформулировал предпосылки для получения безвирусных растений путем пролиферации меристем, индуцированной растительным гормоном, и их дифференцировку, что в итоге приводит к образованию полноценного растения.
В 1960 г. Э. Коккинг разработал метод ферментативного получения протопластов, слияние которых, минуя половое размножение, позволяет получать разнообразные гибриды.
В этот период биотехнология осваивает микробиологическую трансформацию гибридов. Учеными разных стран накоплен огромный практический материал, позволяющий глубже проникнуть в структуру клетки. В 1943 г. С. Э. Лурия и М. Дельбрук определяют наличие настоящих мутантов и мутаций среди бактерий. Этот год является годом становления генетики бактерий зарождения, а впоследствии - развития генной инженерии.
Начиная с 30-х годов XX в. в Советском Союзе активно работают научные школы академиков Н. П. Дубинина, С. И. Алиханяна, И. А. Раппопорта, Ю. А. Овчинникова, К. Г. Скрябина, Е. Д. Свердлова, И. Г. Атабекова, В. Г. Дебабова, Г.К.Скрябина и др., исследующие вопросы генетики популяций, эволюционной, радиационной и космической генетики, генетические основы селекции, различные аспекты химического мутагенеза и его применение для изучения строения гена, а также в области селекции сельскохозяйственных культур и промышленных микроорганизмов.
. Эра управляемого биосинтеза (1961-1975).
Производство аминокислот посредством микробных мутантов имеет наибольшее значение среди возможных способов их получения. Советский Союз производил свыше 1 млн т микробного белка. Была создана целая микробиологическая индустрия под руководством В. А. Быкова. Это позволяло выпускать полноценные сбалансированные корма для выращивания птицы и скота.
Химический синтез аминокислот достаточно эффективен. В нем, как правило, используется непищевое сырье, достигается высокая концентрация продукта, возможна организация непрерывного производства при высокой автоматизации. Однако наряду с преимуществами синтез имеет ряд недостатков. Для его проведения необходима сложная аппаратура, ему свойственна многостадийность процесса. Кроме того, в результате синтеза образуются рацемические формы аминокислот. При микробном синтезе перечисленные недостатки устраняются.
Не менее важным достижением биотехнологии в этот период было получение чистых ферментов, промышленное использование иммобилизованных ферментов и клеток. Первые шаги в этом направлении были сделаны значительно раньше: Дж. Нельсон, Е. Гриффин (1916) адсорбировали инвертазу на угле; Дж. Пфанмюллер, Г. Шлейх (1939) для обработки шкур адсорбировали протеолитические ферменты на древесных опилках; Н. Грубхофер, Д. Шмейтон (1953) впервые применили ковалентное связывание. Термин «иммобилизованные ферменты» был узаконен в 1971 г. на первой конференции по инженерной энзимологии, состоявшейся в Хенникере (США). Немалый вклад в этом направлении внесли советские ученые И. В. Березин, К. Мартинек, В. В. Можаев, Р. В. Петров, В. Т. Иванов и др.
Впервые с помощью биотехнологии в эти годы был получен биогаз, налажено производство бактериальных полисахаридов.
. Эра новой биотехнологии (после 1975).
Новая эра биотехнологии отсчитывает свое время с открытия Д. Уотсоном и Ф. Криком строения молекулы ДНК (1953). Только после этого началось использование генной и клеточной инженерии для получения агентов биосинтеза. Главными объектами исследований становятся живая клетка и молекула ДНК. Учеными различных стран созданы искусственные генетические структуры, запрограммированные на конкретные признаки. Первые работы с рекомбинантными молекулами ДНК в бывш. СССР были проведены в 1974 г. группой ученых во главе с академиком А. А. Баевым, а затем получили известность труды академиков Ю. И. Овчинникова и М. В. Иванова и их учеников. Первые публикации по результатам этих работ появились в 1975 г. Созданы бактериальные штаммы-продуценты всех типов интерферонов, продуценты гормона роста человека и ряда сельскохозяйственных животных, проинсулина человека, интерлейкина-2 и т. д.
Не менее важное направление, сформировавшееся в эти годы, - получение гибридов, моноклональных антител, гибридов из протопластов и меристемных культур, трансплантация эмбрионов. В 1975 г. Дж. Эдель-ман и Р. Портер путем гибридизации соматических клеток получили гибридомы, секретирующие моно-клональные антитела. Академиком А. С. Спириным созданы основы получения бесклеточного белка в протоке. В Болгарии разработан метод выращивания фруктов и овощей без косточек.
Едва резвившись, дерево генной инженерии начало давать плоды. Так, выделение и внедрение генов карликовости обеспечило стремительное распространение по всему миру короткостебельных неполегающих сортов злаков, способных давать урожай зерна до 100 т/га. С помощью методов генной инженерии удалось создать ряд трансгенных растений (кукуруза, соя, сорго, рис, подсолнечник) и др. Одним из приоритетных направлений биотехнологии становится создание более продуктивных штаммов микроорганизмов для традиционных микробиологических процессов. Интенсивно развивается новое направление в биотехнологии - иммобилизация ферментов и клеток на специальных носителях, что обеспечивает многократное их использование.
Биотехнология широко внедряется во все сферы человеческой жизни: сельское хозяйство, биоэнергетику, медицину. Генно-инженерные штаммы бактерий, способные жить в недрах Земли и осуществлять там химические превращения, участвуют в обогащении и переработке руд, отделении и концентрировании металлов из сточных вод как вторичного сырья, экстракции остаточных порций нефти из иссякающих месторождений. Роль биотехнологии в пищевой промышленности неоценима, о чем свидетельствуют итоги работы отечественных научных школ и ученых: И. А. Рогова и А. Б. Лисицына, Э. С. Токаева, В. А. Ту-тельяна, В. М. Поздняковского, А. Г. Храмцова, Л. В. Антиповой, А. И. Жаринова, В. М. Кантере, М. В. Гернет, Л. А. Ивановой, Л. В. Римаревой и др.
РАЗДЕЛЫ И ОБЪЕКТЫ БИОТЕХНОЛОГИИ
Современное состояние биотехнологии как науки обеспечено достижениями в области химии, биологии, физики, биохимии, генетики и имеет разделы, сформированные по принципу общности наиболее общих научных положений. Вместе с тем с незапамятных времен человечество стремилось «скопировать» явления природы применительно к своей практической деятельности. Простые наблюдения биологических процессов на уровне организма и тончайшие механизмы функционирования веществ на уровне клетки и биополимерных систем позволили человечеству создать эффективные технологические производства по получению полезных веществ, машины и механизмы, а также биологические объекты: новые и модифицированные клетки, ткани, биополимеры.
В развитии биотехнологии неоценимое значение имеет открытие клеточного строения, механизмов функционирования клеточных органелл и отдельных веществ для поддержания жизни. Выяснение механизмов регуляции и химизма биологических процессов создало основу для различных биотехнологий.
Поэтому подробная характеристика объектов биотехнологии и основы их функционирования необходимы для понимания и практической реализации удивительно организованных тонких механизмов живой природы в виде полезных биотехнологических процессов /5/.
ХАРАКТЕРИСТИКА ОСНОВНЫХ РАЗДЕЛОВ СОВРЕМЕННОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ
Интегрируя достижения человечества в различных областях знаний, биотехнология строится по четырем направлениям: микробная биотехнология (промышленная микробиология); инженерная энзимология; генная и клеточная инженерия. Однако следует заметить, что в настоящее время отдельной ветвью выделилась пищевая биотехнология, основанная на достижениях химии пищи, физиологии, медико-биологических и гигиенических основ питания и производства пищи /5/.
Микробная биотехнология - раздел биотехнологии, составляющий, пожалуй, основную ее часть. История развития микробной биотехнологии берет свое начало с середины XX в., после классических работ химика Луи Пастера. Проводя эксперимент по кристаллографии, он заметил, что плесневый гриб, выросший в растворе рацемической винной кислоты, потребляет только одну из изомерных форм. Этот вывод о специфическом воздействии микроорганизма на субстрат послужил основой для исследования физиологии микробов. Луи Пастер доказал, что представители микромира различаются не только внешним видом, но и особенностями обмена веществ, что послужило основой для развития микробной биотехнологии, изучающей микроорганизмы, распространенные в природе, с точки зрения возможности использования их в народном хозяйстве.
Расширение сфер использования микроорганизмов для практических целей основывается на изучении их физиологических и биохимических особенностей, а также на познании механизмов регуляции процессов метаболизма. Проводится усиленный поиск новых природных продуцентов, а также расширяются исследования по селекции и генетике известных микроорганизмов, что позволяет получить штаммы с высокой продуктивностью. Эта задача решается либо методом индуцированного мутагенеза и ступенчатого отбора лучших вариантов, либо методами генной инженерии.
Исторический путь развития этого раздела биотехнологии тесно связан с производством различных пищевых продуктов (вино, хлеб, молочные продукты и др.).
Инженерная энзимология - раздел биотехнологии, цель которого - создание технологических процессов с использованием биологических катализаторов (ферментов). Подобно генной инженерии она занимается конструированием не микробных организмов, а биоорганических катализаторов с целевыми свойствами на основе энзимов или мультиэнзимных композиций, находящихся внутри клеток, лишенных способности расти, или искусственно выделенных из них.
Инженерная энзимология ни в коей мере не повторяет биохимию, физическую химию и другие науки, изучающие структуру, свойства, функции и механизм действия ферментов. Теоретические основы этих наук инженерная энзимология применяет на практике. Знания о свойствах энзима, механизмах их изменения она использует при решении конкретных технологических задач: создание нового продукта или улучшение его качества; использование нетрадиционных видов сырья; разработка безотходных технологий. Особенно перспективно применение иммобилизованных ферментов и клеток на носителе. Именно этот метод применяется в медицине для лечения и диагностики различных заболеваний. Например, ферменты (в виде микрокапсул), иммобилизованные на биосовместимом носителе, вводят в кровеносную систему, депонируют и концентрируют в необходимых участках организма при тромбозах или инфаркте миокарда. Иммобилизованные клетки применяют при биологической очистке сточных вод для их денитрификации, извлечении ионов тяжелых металлов.
Особое место ферментативные процессы занимают в производстве пищевых продуктов. Тканевые ферменты животных и растений способствуют формированию химических предшественников вкуса и аромата, консистенции за счет специфической деструкции биополимерных систем пищевого сырья, т. е. осуществляют созревание - один из самых важных этапов получения разнообразной пищи. Большое значение в производстве пищевых продуктов наряду с эндогенным биокатализом имеет применение экзогенных ферментов с целью интенсификации технологических процессов, модификации компонентного состава и свойств пищевых систем, изменения их качества, стабилизации при хранении, обеспечения биологической безопасности и экологичности.
Генная инженерия - раздел биотехнологии, цель которого - направленное создание организмов с заданными свойствами на основе рекомбинации их генотипа. Генная инженерия дает возможность изолировать и изменять отдельные гены, модифицируя молекулу ДНК и перенося ее из одного организма в другой.
Достижения в этой области в основном используются в здравоохранении. Это биосинтез инсулина человека в клетках Е. coli; получение интерферона (против вирусных инфекций, опухолей); создание новых вакцин (против гепатита, сифилиса у человека и ящура у животных). Возникнув сравнительно недавно, генная инженерия стремительно развивается, в том числе и в производстве пищевых продуктов, главным образом через создание трансгенных животных и растений. Сегодня мы являемся свидетелями поистине революционных изменений в традициях производства пищевых продуктов.
Методы генной инженерии применяют и для изменения некоторых метаболических реакций. Например, если ввести ген, кодирующий фермент аминоглюкозидазу, в штаммы дрожжей, используемые в пивоварении, можно снизить необходимую концентрацию сахара в сусле. Изменяя соотношения между ферментами гликолиза, возможно удастся изменить эффективность спиртового брожения. Прогресс в микробной генетике в отношении промышленных штаммов микроорганизмов способствует прежде всего изучению их метаболизма и ориентированию использования для нужд человека. Для этого проводят амплификацию гена, т. е. увеличивают число копий конкретного гена в микробной клетке, что приводит к значительному повышению производства вещества, кодируемого этим геном. Метод заключается в том, что любой хромосомный ген (или группа генов) переносится в плазмиду, которую, в свою очередь, помещают в кишечную палочку, где ее можно амплифицировать. В норме плазмиды присутствуют в 1 -30 копиях на клетку и содержат от 2 до 250 генов. Методом генной инженерии можно получить до 3000 копий плазмидных генов на клетку.
Клеточная инженерия - раздел биотехнологии, объектом исследования которого стали культуры клеток (вьючных животных или растительных организмов), полученные культивированием на различных средах отдельно выделенных из организмов клеток, или микроорганизмы, полученные методом генной инженерии (гибридизация соматических клеток, слияние протопластов, перенос клеточных организмов и т. д.). Одной из задач клеточной инженерии можно считать конструирование новых клеток и клеточных систем. Эта наиболее молодая область биотехнологии зародилась в 40-х годах XX в., а переломным в ее развитии стал 1984 год, чему предшествовала разработка методов получения изолированных протопластов растений и открытие в 70-х годах гибридизации соматических клеток. Именно в 1984 г. лауреатами Нобелевской премии стали Ц. Милыштейн и Г. Келер за разработку метода моноклональ-ных антител, а также Н. Ерне за разработку трех основных концепций, ставших теоретической базой современной иммунологии.
Г. Келер и Ц. Мильштейн сумели выделить клоны клеток, способные секретировать единственный тип молекул антител и расти в культуре. Будучи получены путем слияния антителообразующих и опухолевых клеток, клетки-химеры, названные гибридами, обнаруживали неограниченный рост в культуре и продуцировали антитела определенной специфичности (моноклональные). Впоследствии Г. Келер усовершенствовал метод и предложил исследование мутаций антителообразующих клеток.
Сфера применения моноклональных антител весьма обширна. Это количественное определение различных веществ, идентификация антигенов, распознавание аллергенов, тестирование гормонов, обнаружение рака щитовидной железы и других видов этого заболевания. Моноклональные антитела используются в аналитической иммунологии с целью выделения из смеси отдельных биологически активных веществ; для изучения структуры и функций клеточных мембран; в терапии опухолей.
Итак, основные разделы биотехнологии - это те главные области научных исследований и методы, от которых зависит сегодня результативность многих направлений научно-технического прогресса, благополучие общества, экологическая среда, а следовательно, и сама жизнь человечества.
Очевидно, сегодня можно выделить основные объекты биотехнологии, к которым относятся клетки и ткани, биополимерные системы и механизмы их превращения на уровне метаболизма и передачи наследственных признаков.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Из вышесказанного видно, что биотехнология сопровождает нас уже очень давно, еще со времён написания библии. Она является неотъемлемой частью жизни человека и играет очень важную роль в развитие человека. Это так же подтверждается тем, что биотехнология с каждым новым этапом в своем развитии все больше и больше внедряется в нашу жизнь и оказывает на неё сильное влияние. При этом интерес к данной научной дисциплине и её возможностям с каждым годом растет.
Это подтверждается проведением крупных международных конгрессов по проблемам Биотехнологии. Среди которых можно выделить: международный конгресс «Биотехнология: состояние и перспективы развития», успешно прошедший в Москве в 2002 г. и приобретший статус постоянно действующего, а так же конгресс «Мир биотехнологии» прошедший в третий раз в Москве в 2006. Итоги I и II (2003) Международных конгрессов по проблемам биотехнологии показали явный прогресс в развитии этой науки, которая все больше приобретает отраслевое значение.
Стоит отметить, что на фоне явно выросшего уровня традиционных направлений появились новые, связанные с производством пищи с учетом современных тенденций в питании для обеспечения полноценной жизни человека. В связи с пересмотром подходов в производстве продуктов питания определенное внимание уделено также подготовке инженерных кадров для решения задач пищевой биотехнологии. При этом следует отметить, что в 2005 году в Ивановском Государственном Химико-Технологическом Университете была создана новая кафедра «Технология Пищевых Продуктов и Биотехнология», руководителем которой является д.х.н., проф. Макаров С.В. Задачей кафедры является не только подготовка инженерных кадров, но и ведение научно-исследовательских работ в области пищевой биотехнологии.
Но, несмотря на эти успехи, эра новой биотехнологии только начинается. То, что ей подвластно, поражает, ибо она в состоянии изменить саму жизнь.
ЛИТЕРАТУРА
- Рогов В.И. Пищевая биотехнология.─ М.: Колос, 2004.
- Бирюков В.В. Основы промышленной биотехнологии.─ М.: Колос, 2004
- Вакула В. Биотехнология ─ что это такое?─ М.: Молодая гвардия, 1989.
- Беккер М.Е. Введение в биотехнологию.─ М.: Пищевая промышленность, 1978.
- http://ru.wikipedia.org/wiki/Биотехнология