Этапы развития биотехнологии как науки

Этапы развития биотехнологии как науки

Для обозначения наиболее тесно связанных с биологией разнообразных технологий раньше использовали такие наименования, как «прикладная микробиология», «прикладная биохимия», «технология ферментов», «биоинженерия», «прикладная генетика», «прикладная биология».

Наши предки в течение тысячелетий успешно использовали метод микробиологической ферментации для сохранения и улучшения вкуса пищи, производства спиртных напитков. Так, пивоварение до сих пор остается наиболее важной (в денежном исчислении) отраслью биотехнологии: в мире ежегодно производится свыше 10 11 л пива на сумму порядка 175 млн долларов. В основе процесса пивоварения лежат реакции обмена веществ, происходящие при росте и размножении некоторых микроорганизмов в анаэробных условиях.

Благодаря трудам Л. Пастера в конце XIX в. были созданы условия для дальнейшего развития прикладной (технической) микробиологии, а также в значительной мере и биотехнологии. Пастер установил, что микроорганизмы играют ключевую роль в процессах брожения, и показал, что в образовании отдельных продуктов участвуют разные их виды. Это послужило основой развития в конце XIX — начале XX в. бродильного производства органических растворителей (ацетона, этанола, бутанола, изопропанола) и других химических веществ, где использовались разнообразные виды микроорганизмов.

Процессы, в которых биомасса, т. е. возобновляемый источник сырья, используется для получения химических веществ, играли ведущую роль на первом этапе развития современной биотехнологии. По мере становления нефтехимии на смену многим из них пришли химические процессы.

В тех случаях, когда некоторые химические соединения (например, цитрат, ацетат и итаконат) широко применяли при производстве пищевых продуктов, их продолжали получать и путем брожения — самым выгодным с экономической точки зрения. В некоторых странах (например, в Италии) таким способом вырабатывали даже технический этиловый спирт. Сегодня под влиянием энергетического кризиса производство спирта из растительного сырья получает все более широкое распространение в США, Бразилии и других странах.

Следующим важным этапом в развитии биотехнологии хозяйственно ценных веществ была организация промышленного производства антибиотиков, основой которого стало открытие в 1940 г. А. Флемингом, X. Флори и Э. Чейном химиотерапевтической активности пенициллина. Сегодня годовой оборот этой отрасли составляет около 3,5 млрд долларов.

Как получение химических соединений и пищевых добавок путем брожения, так и синтез антибиотиков всегда велись в асептических условиях, но некоторые современные процессы (например, образование белка одноклеточными организмами) осуществляют в еще более жестком режиме. Обеспечение таких особых условий — многоплановая задача, и она решается инженерами-химиками и микробиологами.

Вместе с тем переработка отходов, например, не требует стерильных условий; напротив, чем больше разных микроорганизмов принимает участие в процессе, тем лучше. В наше время все более широко применяют переработку стоков в анаэробных условиях смешанной микрофлорой, в результате чего попутно образуется биогаз (он состоит в основном из метана и С02). Этот способ энергетически высокоэффективен, позволяет сохранять и концентрировать энергию, содержащуюся в различных компонентах стоков (с газом регенерируется более 80 % свободной энергии), а в сельской местности с его помощью можно получать значительную часть столь необходимой энергии. Так, в Китае построено более 18 млн генераторов биогаза. В развитых странах с высоким потреблением энергии превращение отходов

в биогаз может покрыть лишь несколько процентов их энергетических потребностей. На отдельных крупных заводах по переработке отходов биогаз часто сжигают в тепловых машинах, которые приводят в действие электрогенераторы. В последние годы созданы также небольшие установки, предназначенные для переработки отходов сельского хозяйства.

Направления биотехнологии и получаемые с ее помощью продукты

Получение новых штаммов; новые методы селекции растений и животных (включая клонирование)

Производство химических веществ

Получение органических кислот (например, лимонной, итаконовой); использование ферментов в составе моющих средств

Увеличение потребления биогаза; крупномасштабное производство этанола как жидкого топлива

Контроль за состоянием окружающей среды

Совершенствование методов тестирования и мониторинга;

прогнозирование превращений ксенобиотиков;

улучшение методов переработки отходов, особенно промышленных

Создание новых методов переработки и хранения пищевых продуктов; получение пищевых добавок; использование белка, синтезируемого одноклеточными организмами; получение ферментов для переработки пищевого сырья

Выщелачивание руд; контроль биоразложения

Применение ферментов для усовершенствования диагностики; создание датчиков на основе ферментов; использование микроорганизмов и ферментов при производстве сложных лекарств (например, стероидов); синтез новых антибиотиков; применение ферментов в терапии

Широкое распространение получило производство аминокислот в аэробных микробиологических процессах. В основном это глутамат натрия (ежегодное производство в мире — около 150 тыс. т), который является усилителем вкуса, и лизин (ежегодное производство в мире — 15 тыс. т), который служит пищевой добавкой. За год в мире продается аминокислот на сумму 1,75 млрд долларов, причем большую часть поставляют японские фирмы.

В промышленных масштабах уже в течение многих десятилетий используется способность микроорганизмов превращать растительную биомассу с низким содержанием белка в пищевые продукты с высоким его содержанием. В Германии в период Первой мировой войны выращивали дрожжи Saccaharomyces cerevisiae, которые добавляли в колбасу и супы, что компенсировало около 60 % довоенного импорта пищевых продуктов. Во время Второй мировой войны осуществляли сходные процессы, но уже на основе пищевых дрожжей Candida arborea и Candida utilis.

В 1960-х гг. некоторые нефтяные и химические компании начали проводить исследования с целью получения из одноклеточных организмов белка, предназначенного для добавления в пищу людям и животным. В какой-то мере это было связано с недостатком белковой пищи в мире. В качестве субстратов использовали нефть, метан, метанол и крахмал. Наиболее конкурентоспособными оказались процессы на основе метанола и крахмала. Основная масса полученных продуктов предназначалась для добавления в корм животным.

Читайте также:  Настойка эхинацея польза и вред

В западных странах компанией ICI был построен самый крупный завод, где в одном ферментере при участии мета- нолпотребляющей бактерии Methylophilus methylotrophus из метанола получают около 70 тыс. т белка прутина (Pruteen) в год. Модификация механизмов ассимиляции азота этими бактериями, достигнутая с помощью технологии рекомбинантных ДНК, привела к еще большему увеличению выхода продукта. Это стало одним из первых доказательств практической значимости и потенциальных возможностей генетической инженерии.

В России ежегодно производится более 1 млн т белка одноклеточных водорослей, в основном из углеводородов и отходов растениеводства.

Возрастает интерес к применению ферментов в медицинской промышленности (главным образом для диагностики), хотя в целом их использование остается сравнительно небольшим. Это обусловлено нестабильностью ферментов, сложностью выделения продуктов переработки и проблемами, связанными с добавлением или заменой кофакторов.

Однако в некоторых случаях эти сложности удается обойти путем использования интактных (целых) клеток микроорганизмов. Такой способ применили при крупномасштабном производстве лекарственных препаратов стероидной природы. Было установлено, что многие микроорганизмы способны строго направленно и стереоспецифически гидроксилировать сложные молекулы стероидов. Например, плесневый гриб Rhizopus arrhizus способен стереоспецифически (по 11-му положению) гидроксилировать женский половой гормон прогестерон.

Существенно упростилось производство кортизона, который применяют для лечения артрита. До внедрения нового способа данное соединение получали с помощью химического синтеза, включавшего 37 стадий; при этом выход вещества составлял 0,02 %, а стоимость 1 г достигала 200 долларов. Благодаря введению в процесс получения кортизона этапа биотрансформации, синтез стал проще, а цена препарата составила 68 центов за 1 г.

Впоследствии был обнаружен еще ряд микроорганизмов, способных специфически гидроксилировать другие углеродные атомы стероидного кольца. Микробные системы сейчас используют для превращения фитостероидов в С-19- стероидные гормоны с менее громоздкими молекулами. Они находят широкое применение, в частности как пероральные противозачаточные средства.

Освоение методов культивирования растительных и животных клеток в большом объеме повысило эффективность получения вакцин. Разработка метода слияния клеток различных линий позволила получить новые клоны масличных пальм, не только более урожайные, но и дающие продукцию более высокого качества.

Биотехнология – это область научных исследований, с появлением которой произошел настоящий переворот во взаимоотношениях человека с живой природой. В ее основе лежит перенос единиц наследственности (генов) из одного организма в другой, осуществляемый методами генной инженерии (технология рекомбинантных ДНК). В большинстве случаев целью такого переноса является создание нового продукта или получение уже известного продукта в промышленных масштабах[1].

Действительно, она включает на первый взгляд, совершенно не связанные между собой разделы научных знаний: микробиологию, анатомию растений и животных, биохимию, иммунологию, клеточную биологию, физиологию растений и животных, различные систематики, экологию, генетику, биофизику, математику и много других областей естествознания.

Постоянно увеличивающееся разнообразие современной биологии началось после окончания второй мировой войны, когда в биологию внедрились другие естественнонаучные дисциплины, такие как физика, химия и математика, которые сделали возможным описание жизненных процессов на новом качественном уровне — на уровне клетки и молекулярных взаимодействий.

Именно существенные успехи в фундаментальных исследованиях в области биохимии, молекулярной генетики и молекулярной биологии, достигнутые во второй половине текущего столетия, создали реальные предпосылки управления различными (пусть, возможно, и не самыми главными) механизмами жизнедеятельности клетки. Сложившаяся благоприятная ситуация в биологии явилась мощным толчком в развитии современной биотехнологии, весьма важной области практического приложения результатов фундаментальных наук. Можно с уверенностью утверждать, что биотехнология является наиболее разительным примером того, как результаты, казалось бы «чистой науки», находят применение в практической деятельности человека. Основой, обеспечивающей благоприятную ситуацию для бурного развития биотехнологии, явились революционные открытия и разработки:

Доказательства роли нуклеиновых кислот в хранении и передаче наследственной информации в биологических системах (имеются в виду индивидуальные клетки и отдельные организмы, а не их популяции);

Расшифровка универсального для всех живых организмов генетического кода;

Раскрытие механизмов регуляции функционирования генов в процессе жизни одного поколения организмов;

Совершенствование существовавших и разработка новых технологий культивирования микроорганизмов, клеток растений и животных; как логическое следствие из вышесказанного, явилось создание (возникновение) и бурное развитие методов генетической и клеточной инженерии, с помощью которых искусственно создаются новые высокопродуктивные формы организмов, пригодные для использования в промышленных масштабах.

Расшифровка генома человека.

Абсолютно новым направлением является так называемая инженерная энзимология, возникшая вследствие развития современных методов изучения структуры и синтеза белков-ферментов и выяснения механизмов функционирования и регуляции активности этих соединений (важных элементов клетки). Достижения в этой области позволяют направленно модифицировать белки различной сложности и специфичности функционирования, разрабатывать создание мощных катализаторов промышленно ценных реакций с помощью высоко стабилизированных иммобилизованных ферментов.

Еще статьи по теме

Зрительная сенсорная система
В данной работе произведен некоторый обзор темы пространственной ориентации живых организмов посредством зрительной сенсорной системы. Зрение как сенсорная система есть важное условие для выживания и эволюции любой популяции, по .

Структурная надежность систем
Надежностью называют свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслужив .

Читайте также:  Сколько давать укропной воды 1 месячному ребенку

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.

Читайте также:  Болит горло больно глотать кашель чем лечить

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;

Ссылка на основную публикацию
Эрозия зубов у детей
Что такое гипоплазия эмали зуба Достаточно часто, по внешним признакам гипоплазию эмали принимают за поверхностный кариес. Однако, это два совершенно...
Эпилепсия последствия для психики
Психические нарушения при эпилепсии К распространенным в обществе ложных представлений об эпилепсии относятся следующие: «эпилепсия — психическое заболевание» и «эпилепсия...
Эпилептический психоз симптомы
Эпилептический психоз – это психопатологический симптомокомплекс, развивающийся при осложненной форме классической эпилепсии. Возникает как результат прогрессирующих личностных изменений. Проявляется неадекватностью...
Эрозия привратника желудка лечение
Кто вылечил эрозии желудка, помогите пожалуйста советом. Они у меня уже 2,5 месяца после начала лечения не заживают, симптомы сохраняются...
Adblock detector