Этапы развития биотехнологии

Биотехнология как наука возникла на стыке биологических, химических и технологических наук.

Голландский ученый Е. Хаувинк (1984) историю био­технологии условно разделил на пять периодов (эр).

1. Допастеровская эра (до 1865).В этот период биотехнология базировалась на процессах брожения: получении 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.

2. Послепастеровская эра (1866-1940).Именно в этот период 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.

3. 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. 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.

В 1960 г. Э. Коккинг разработал метод ферментатив­ного получения протопластов, слияние которых, минуя половое размножение, позволяет получать разнообраз­ные гибриды (соматическая гибридизация).

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.

4. 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.

5. 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. Эдельман и Р. Портер путем гибридизации соматических клеток получили гибридомы, секретирующие моноклональные антитела. В Болгарии разработан метод выращивания фруктов и овощей без косточек.

Метод слияния клеток открывал возможность слить воедино даже совершенно различные микроорганизмы, включая клетки растений, животных и человека. Фузия (соматическая гибридизация) клеток, а именно так был назван метод их «слияния», создала перспективу для получения самой разной ком­бинации генов «родительских» пар. Так, клетки челове­ка, синтезирующие антитела, но неспособные к быстро­му росту и размножению, сливали с активно растущими раковыми клетками. В результате были получены новые клетки, способные к интенсивному росту и синтезу ан­тител. Поскольку результаты подобных экспериментов хотя и прогнозируемы, но не всегда предсказуемы, в 1974 г. было наложено вето на проведение эксперимен­тов, которые могли бы привести к возникновению опас­ных для человека последствий; многие из запретов поз­же удалось снять. Однако в 1975 г. было подписано меж­дународное соглашение, запрещающее разработку и внедрение «биологического оружия».

Едва развившись, 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.

Крупным международным событием стал конгресс «Биотехнология: состояние и перспективы развития», успешно прошедший в Москве в 2002 г. и приобрет­ший статус постоянно действующего. Итоги I и II (2003) Международных конгрессов по проблемам био­технологии показали явный прогресс в развитии этой науки, которая все больше приобретает отраслевое зна­чение.

Но, несмотря на эти успехи, эра новой биотехноло­гии только начинается. То, что ей подвластно, поража­ет, ибо она в состоянии изменить саму жизнь.

Объектами биотехнологических исследований являются клетки и ткани, а также биополимеры участвующие в процессах метаболизма и передачи наследственной информации.