Предмет биотехнологии.

Биотехнология – наука о способах создания продуцентов биологически активных веществ на основе живых организмов и использовании биологических объектов и биологических процессов в технике, промышленном производстве, охране окружающей среды.

Человек использовал биотехнологию многие тысячи лет: пивоварение, выпечка хлеба, хранение и переработка продуктов путем ферментации (сыр, уксус, соус, мыло, простейшие лекарства, переработка отходов).

Разработка методов генной инженерии, основанных на создании рекомбинантных ДНК, привела к "биотехнологическому буму" и значительно ускорила развитие основных отраслей биотехнологии.

В 50-60-х годах ХХ века стали интенсивно развиваться многие направления биотехнологической промышленности: сельское хозяйство, производство химических веществ, энергетика, контроль за состоянием окружающей среды, пищевая промышленность, материаловедение, медицина.

Использование достижений науки в биотехнологии связано с фундаментальными исследованиями, которые осуществляются на самом высоком современном уровне. Можно перечислить важнейшие отрасли науки, которые внесли и вносят большой вклад в осуществление того или иного биотехнологического процесса: микробиология, генетика, биохимия, химическая технология, технология пищевой промышленности, электроника и др. Развитие отдельных перспективных разделов биотехнологии осуществляется при тесном международном сотрудничестве специалистов, ученых и технологов. Например: в области генной инженерии лишь немногие научные коллективы в мире обладают достаточным опытом работы, но их разработки быстро становятся достоянием мировой научной общественности.

Возникновение современной биотехнологии было бы невозможно и без успехов в разработке инструментальных методов исследований, основанных на использовании современнейших приборов как отечественного, так и зарубежного производства.

В любом биотехнологическом процессе необходимо обязательное участие и взаимодействие между собой организмов (бактерии, грибы, дрожжи и т.д.) с субстратом (питательная среда или вещество, разлагаемое тем или иным микроорганизмом).

Современная промышленная биотехнология включает четыре основные стадии: 1 - выбор штамма микроорганизма или культуры клеток, обладающих повышенной продуктивностью; 2 - подбор питательной среды, обеспечивающей оптимальный биосинтез целевого продукта; 3 - культивирование клеток-продуцентов; 4 - выделение целевого продукта, его обработка, очистка, получение товарной формы этого продукта.

Сам термин "биотехнология" не сразу стал общепринятым. Слово "bio"- в переводе с греческого "жизнь". "technos"- способ, метод индустриального производства. Для использования наиболее тесно связанных с биологией разнообразных способов получения биологически активных веществ применяли такие термины, как прикладная микробиология, прикладная биохимия, технология ферментов, биоинженерия, прикладная генетика и т.д.

Ранее не имелось научных представлений о процессах, лежащих в основе различных технологий, однако на протяжении тысячелетий успешно использовался метод микробиологической ферментации для сохранения пищи: получение сыра, уксуса, улучшение вкуса, выпечка хлеба и приготовление соевого соуса, производство спиртных напитков. Наиболее древняя и, в настоящее время, важная в денежном исчислении отрасль пищевой промышленности - пивоварение. Первый рецепт пива был обнаружен 6000 лет до нашей эры в древнем Вавилоне, а около 3000 лет до н.э. было известно 20 сортов пива. В настоящее время во всем мире ежегодно производится около 10¹¹-10¹² литров пива различных сортов и наименований.

Благодаря трудам Л. Пастера в конце Х1Х века были созданы реальные предпосылки для дальнейшего развития прикладной микробиологии. Пастер установил, что микроорганизмы играют ключевую роль в процессах брожения, и показал, что в образовании отдельных продуктов участвуют различные их виды. Его исследования послужили основой развития в начале ХХ века бродильного производства органических растворителей (ацетона, этанола, бутанола и изопропанола). Во всех этих процессах микробы в бескислородной среде осуществляют превращение углеводов растений в ценные продукты. В качестве источника энергии для роста микробы в этих условиях используют изменения энтропии при превращении веществ.

Значительным этапом в развитии биотехнологии была организация промышленного производства антибиотиков. Основанием для этого послужило открытие в 1940 г. Флемингом, Флори и Чейном химиотерапевтической активности пенициллина. Как известно, данный антибиотик и его производство занимали одно из ведущих мест в медицинской биотехнологии до настоящего времени.

Использование микроорганизмов при переработке отходов не требует создания стерильных условий, напротив, чем больше разных микроорганизмов участвует в данном процессе, тем лучше. Процесс минерализации органических отходов в аэробных условиях, основанный на использовании микроорганизмов активного ила, был разработан в 1914 году. С тех пор он существенно модернизирован, стал более сложным и производительным, и используется во всем мире для переработки сточных вод. Утилизация стоков в анаэробных условиях смешанной микрофлорой вызывает образование биогаза (СН₄ и СО₂), который используется как дешевая энергия. Одно из первых мест по производству биогаза занимает Китай (около 20 миллионов генераторов биогаза). В последние годы применяются небольшие установки, предназначенные для переработки отходов сельского хозяйства.

Наиболее интенсивно биотехнологическая промышленность стала развиваться после второй мировой войны. Толчком к ее развитию послужили следующие открытия:

- Уотсон и Крик в 1953 г. установили пространственную структуру ДНК.

- Благодаря работам Сэнгера по структуре белков (структура инсулина), а также Эдмана и Бэгга (1967 г.) по деградации белков, появились приборы автоматического определения структуры белков (последовательности аминокислот, 1978 г.).

- В 1980 году в Калифорнийском университете был сконструирован сиквенатор белков, который мог определять последовательность более 200 аминокислот в день.

- По установленной структуре ДНК начались исследования по синтезу биополимеров. В 1977 г. в медицинском национальном центре "Хоуп " (Калифорния) синтезирован ген соматостатина (Итакура); в 1979 г. – ген инсулина человека; в 1980 г. – Итакура создал синтезатор генов.