ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О БИОТЕХНОЛОГИИ

Современные биотехнологические производства — сложный ком­плекс взаимосвязанных биофизических, биохимических и физико-химических процессов; в этих технологических процессах производство и биология представляют единое целое.

БТ - это использование культур клеток, бактерий, животных, расте­ний, метаболизм и биологические возможности которых обеспечивают выработку специфических веществ. В фармацевтической промышлен­ности БТ охватывает разработку вакцин, синтез гормонов, ферментов, интерферонов, антибиотиков, аминокислот, витаминов, алкалоидов, полисахаридов и других биологически активных веществ (БАВ).

В историческом смысле БТ возникла, когда дрожжи были впервые использованы при изготовлении пива, а бактерии - для получения йогурта.

С 1961 г. БТ тесно связана с исследованиями в области промышлен­ного производства коммерческих продуктов при участии живых орга­низмов, биологических систем и процессов. С этого времени БТ встала на прочный фундамент микробиологии, биохимии и промышленной инженерии.

Промышленный биотехнологический процесс, в котором для произ­водства коммерческих продуктов используются микроорганизмы, обычно состоит из трех ключевых этапов:

1. Исходная обработка: обработка сырья для использования в ка­честве источника питательных веществ для микроорганизма-мишени.

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

3. Конечная обработка: очистка целевого продукта от компонентов культуральной среды или от клеточной массы (рис. 1).

Цель биотехнологических исследований - максимальное повыше­ние эффективности каждого из этих этапов и поиск микроорганизмов, с помощью которых можно получить целевой продукт.

Наиболее трудным для оптимизации был этап биотрансформации. При использовании природных микробных штаммов выход конечного продукта часто оказывался существенно ниже оптимального. Традици­онные схемы генетического усовершенствования бактерий включают скрининг, отбор и тестирование огромного количества колоний. Такие работы высокозатратны, занимают много времени и при этом можно рассчитывать только на усовершенствование уже существующих, пере­даваемых по наследству свойств штамма, а не на расширение его гене­тических возможностей. И все же к концу 70-х таким образом были усовершенствованы производственные процессы получения целого ря­да конечных продуктов.

С развитием технологии рекомбинантных ДНК природа и возмож­ности БТ резко изменились. Стратегия переноса функциональной еди­ницы наследственности (гена) из одного организма в другой была раз­работана американскими учеными Стенли Козном и Гербертом Бойе-ром в 1973 г. Появилась возможность оптимизировать этап биотрансформации - не просто отбирать высокопродуктивные штаммы микро­организмов и эукариотических клеток, а создавать принципиально но­вые, используя их в качестве «биологических фабрик» по производству инсулина, интерферонов, интерлейкинов, гормона роста, вирусных ан­тигенов и множества других белков. Технология рекомбинантных ДНК позволяет получать в больших количествах ценные низкомолекулярные вещества и макромолекулы, которые в естественных условиях синтези­руются в минимальных количествах. Технология рекомбинантных ДНК - это быстродействующий, эффективный, мощный инструмент, обеспе­чивающий создание микроорганизмов с заранее заданными генетиче­скими характеристиками. Этот инструмент может работать не только с микроорганизмами, но с растениями и животными.

На стыке технологии рекомбинантных ДНК и БТ возникла динамичная, высококонкурентоспособная Молекулярная БТ (МБТ). Биотех­нологическая составляющая МБТ - промышленная микробиология и химическая инженерия; молекулярная составляющая - молекулярная биология, молекулярная генетика бактерий, энзимология нуклеиновых кислот.

История развития МБТ (даты, события)

1917 — введен термин БТ;

1943 - произведен в промышленном масштабе пенициллин;

1944-показано, что генетический материал представляет собой ДНК;

1953-установлена структура инсулина, расшифрована структура ДНК;

1961 - учрежден журнал «Вiotechnology and Bioengineering»;

1961-1966 - расшифрован генетический код, оказавшийся универ­сальным для всех организмов;

1953-1976 - расшифрована структура ДНК, ее функции в сохране­нии и передаче организмом наследственной информации, способность ДНК организовываться в гены;

1963-осуществлён синтез биополимеров по установленной струк­туре;

1970 - выделена первая рестрикционная эндонуклеаза;

- осуществлён синтез ДНК;

1972 - синтезирован полноразмерный ген транспортной РНК;

1975 - получены моноклональные антитела;

1976 - разработаны методы определения нуклеотидной последова­тельности ДНК;

1978 - фирма «Genentech» выпустила человеческий инсулин, полу­ченный с помощью Е. соli;

1981 - синтезированы фрагменты нуклеиновых кислот;

1982 - разрешена к применению в Европе первая вакцина для жи-

вотных, полученная по технологии рекомбинантных ДНК;

1983 - гибридные Ti-плазмиды применены для трансформации растений;

1990-официально начаты работы над проектом «геном человека»; 1994-1995 - опубликованы подробные генетические и физические карты хромосом человека;

1996-ежегодный объем продаж первого рекомбинантного белка (эритропоэтина) превысил 1 млрд долларов;

1997 - клонировано млекопитающее из дифференцированной сома­тической клетки;

2003 - расшифрован геном (набор генов, присущий организму) че­ловека, содержащий приблизительно 30 тысяч генов и три миллиарда «букв» молекул ДНК.

В последние годы родилась новая отрасль генетики - геномика, изучающая не отдельные гены а целые геномы. Достижения молекулярной биологии и генной инженерии дали человеку возможность читатьгенетические тексты вначале вирусов, бактерий, дрожжевых грибков, многоклеточных животных. Например, знание геномной структуры патогенных бактерий очень важно при создании рационально сконст­руированных вакцин, для диагностики и других медицинских целей.Апрель 2003 года ознаменовался сенсацией в биологии и медицине: Международный консорциум по составлению генетической карты че­ловека (Центр геномного секвенирования: Вашингтонский университет я Сенгеровский центр в Кембридже) опубликовал заявление, что уда­лось полностью расшифровать геном человека. Титанический труд сотенисследователей из США, Великобритании, Германии, Франции, Японии и Китая занял более 10 лет и обошелся почти в 3 млрд долла­ров. При этом были разработаны высокоэффективные технологии и ин­струменты картирования, такие как коллекции клеток, в которых есть небольшие фрагменты каждой из хромосом или искусственные дрож­жевые хромосомы, содержащие крупные фрагменты хромосом челове­ка, бактериальные и фаговые векторы, позволяющие размножить (кло­нировать) фрагменты ДНК человека. Быстро прогрессировала техника секвенирования (например, многоканальный капиллярный электрофо­рез ускорил и удешевил расшифровку первичной структуры ДНК). Соз­даны компьютерные программы, позволяющие находить гены в рас­шифрованных участках ДНК.

Ранее было объявлено о «черновой» расшифровке генома человека с точностью 99,9%, сейчас эта точность увеличена на порядок. Осталось заполнить, расшифровать в геноме примерно 400 «дырок». В геноме человека прочитано 3 млрд символов, но решающее значение принад­лежит пониманию смысла прочитанного. Из 30 тыс. генов, составляю­щих геном человека, науке известно о предназначении лишь трети их числа. Полная расшифровка генома человека позволит справиться с множеством недугов, таких как наследственные болезни, рак, заболева­ния сердечно-сосудистой системы, психические и многие другие.

В России существует своя программа «Геном человека», не зависи­мая от Международного консорциума, гораздо более скромная по фи­нансовым возможностям. Ученые на уровне генома изучают связь раз­личных генов с наиболее распространенными заболеваниями, ДНК-диагностику, диагностику хромосомных нарушений, молекулярный ци-тогенетический анализ. Геномная медицина «корректирует» традици­онные методы лечения заболеваний с учетом индивидуальных генети­ческих данных каждого человека. Генетическую обусловленность на­следственных заболеваний определяют около 3 тыс. генов.

Геномные методы идентификации личности, разработанные и прак­тические реализованные в геномике человека, имеют большое значение для общества. Криминалистика получила в свое распоряжение абсо­лютно достоверный метод доказательства: для геномной дактилоскопии достаточно лишь одной капли крови, одного волоса, кусочка ногтя, сле­дов пота, спермы, слюны, перхоти.

Молекулярная биотехнология (МБТ) пользуется достижениями раз­ных областей науки и применяет их для создания разнообразных ком­мерческих продуктов (рис. 2).

Знания и методы биохимии, микробиологии, молекулярной биоло-. гии, генетики, химической технологии, электроники позволяют исполь­зовать потенциал живых клеток в интересах человека. Знания и умения биотехнолога простираются от биохимии и кинетики физиологических процессов в биосистемах (микроорганизм, клетка, вирус) до математи­ческого моделирования, экономики, вопросов управления биотехноло­гическими процессами, объединёнными в сложные системы.

Биотехнология получила возможность воспроизводить нужные про- дукты в неограниченных количествах, используя новые технологии, позволяющие переносить гены в микробные клетки-продуценты или в

организм млекопитающих (трансгенные животные), синтезировать пеп­тиды, создавать искусственные вакцины - это основные биотехнологические процессы, реализующиеся на уровне клетки или с участием от­дельных клеточных структур. В промышленном масштабе подобная БТ

представляет,биоиндустрию.