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 их 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.
Биотехнология на самом деле не что иное, как название, данное
набору технических приемов (подходов) и процессов, основанных на
использовании для этих целей биологических объектов.
Термин биотехнология включает составляющие «биос», «техне»,
|
|
«логос» греческого происхождения (от греч. «биос» – жизнь, «техне» –
искусство, мастерство, умение и «логос» – понятие, учение).
Таким образом, как это явствует из приведенных определений,
биотехнология по существу сводится к использованию микроорганизмов,
животных и растительных клеток или же их ферментов для синтеза,
разрушения или трансформации (превращения) различных материалов с
целью получения полезных продуктов для различных нужд человека.
Биотехнологические направления имеют своей целью создание и
практическое внедрение (т. е. практическое использование):
• новых биологически активных веществ и лекарственных препаратов,
используемых в здравоохранении для диагностики, профилактики и
лечения различных заболеваний;
• биологических средств защиты сельскохозяйственных растений от
возбудителей заболеваний и вредителей, бактериальных удобрений и
регуляторов роста растений и животных; новых сортов растений,
устойчивых к разного рода неблагоприятным воздействиям
(факторам внешней среды); новых пород животных с полезными
свойствами (трансгенные животные);
• ценных кормовых добавок для повышения продуктивности
сельскохозяйственных животных (кормового белка, аминокислот,
витаминов, ферментов, способствующих повышению усвояемости
кормов, и т. п.);
• новых биоинженерных методов для получения высокоэффективных
препаратов различного назначения, используемых в сельском
хозяйстве и ветеринарии;
• новых технологий создания и получения хозяйственно ценных
продуктов для пищевой, химической и микробиологической
|
|
промышленности;
• эффективных технологий переработки сельскохозяйственных,
промышленных и бытовых отходов для получения продуктов,
которые могут использоваться в других отраслях хозяйственной
деятельности человека (например, биогаза, удобрений, топлива для
автомобилей и т. п.).
Само собой разумеется, что такие комплексные задачи требуют
интеграции различных отраслей научных и технических знаний и
характеризуют биотехнологию как ряд перспективных технологий,
которые найдут применение в самых разнообразных индустриальных
направлениях. Интеграция биологии, химии и инженерных приемов в
биотехнологии осуществляется таким путем, чтобы обеспечить
максимальное использование потенциальных возможностей всех
входящих в нее областей знаний. И все же, несмотря на комплексность
биотехнологии, ее нельзя рассматривать как нечто единое целое,
наподобие микроэлектроники. Скорее она должна рассматриваться как
ряд перспективных технологий, сочетания которых будут постоянно
варьировать в зависимости от конкретных практических задач.
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 (меньшего) количества энергии и
будут базироваться преимущественно на дешевых субстратах,
используемых в качестве первичного сырья.
Однако следует отдавать себе отчет в том, что биотехнология не
является чем-то новым, ранее не известным, а 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 разнообразные способы
утилизации отходов. Во всех перечисленных процессах использовались
биологические объекты (пусть даже без достаточных знаний о них) и все
эти процессы на протяжении многих лет совершенствовались, правда
эмпирически. Начало этого этапа биотехнологии теряется в глубине веков
и он продолжался примерно до конца XIX в.
Работы великого французского ученого Луи Пастера (1822–1895)
заложили фундамент практического использования достижений
микробиологии и биохимии в традиционных биотехнологиях
(пивоварение, виноделие, производство уксуса) и ознаменовали начало
нового, научного периода развития биотехнологии. Для этого периода
характерно развитие промышленной биотехнологии, в особенности
ферментационных процессов в промышленных масштабах. Были
разработаны стерильные процессы производства путем ферментации
ацетона, глицерина. Интенсивно изучаются основные группы
микроорганизмов – возбудителей процессов брожения, исследуются
биохимические особенности данных процессов. После открытия
Александром Флемингом пенициллина разрабатываются процессы и
аппараты для глубинного культивирования продуцентов, что резко
удешевило производство данного антибиотика, и он стал доступным для
широкого использования в клинической практике во время второй
мировой войны.
После войны быстрыми темпами развивались процессы ферментации
для производства антибиотиков, стероидных гормонов, а в 1961 г. возник
журнал «Биотехнология и биоинженерия» и снова термин
«биотехнология» стал применяться для обозначения процессов, которые
относили к области промышленной микробиологии.
|
|
Однако термин «биотехнология» в большей степени стал
ассоциироваться с новым этапом развития этой науки, начало которому
положено в 1973 г., когда Стэнли Коэн и Герберт Бойер получили
рекомбинантные плазмиды и произвели трансформацию ими клеток
E.coli. В течение четырех лет после открытия рекомбинантных ДНК-
технологий появились штаммы бактерий, продуцирующие инсулин и
человеческий гормон роста. Это привело к притоку инвестиций в новые
компании. В настоящее время в США только микробная (основанная на
культивировании генетически модифицированных микроорганизмов)
биотехнология представлена 1300 компаниями, насчитывающими 153 000
служащих, с годовым доходом 19,6 млрд долл. и с продажами 13,4 млрд
долл. В Канаде 282 компании с годовым доходом 1,1 млрд долл., В
Японии с годовым доходом 10,0 млрд долл., в Европе 1178 компаний (45
000 служащих) с годовым доходом 3,7 млрд долл. Основные продукты,
получаемые с помощью микроорганизмов и рекомбинантных ДНК-
технологий – животные пептиды, такие как гормоны, факторы роста,
ферменты, антитела и биологические модификаторы иммунного ответа.
По приблизительной оценке, общемировая рыночная стоимость
растениеводческой продукции, полученной на основании ДНК-
технологий, достигнет к 2010 г. 30–40 млрд. долларов. Мировой рынок
биотехнологической продукции составляет ежегодно около 150 млрд.
долл.
Во многих странах мира приняты национальные программы по
биотехнологии. Так, например, в США ежегодные затраты на
биотехнологию составляют 2-3 млрд. долл. В Германии на 2001 год
выделено около 2 млрд. марок на новую программу по биотехнологии. В
табл. 1 приведены основные факты, характеризующие развитие
биотехнологии.
Вполне обоснованно предполагать, что скорость практического
использования биотехнологических достижений в меньшей степени будет
определяться научными и техническими условиями, а больше будет
зависеть от таких факторов, как капиталовложения заинтересованных
отраслей промышленности, улучшение технологических схем, рыночных
|
|
ситуаций и экономичности новых методов по сравнению с недавно
внедренными технологиями иного типа.
Отрасли промышленности, с которыми будет конкурировать
биотехнология, включают изготовление пищи для людей и животных,
создание и производство новых материалов, призванных заменить
изготовляемые с помощью нефтехимии, создание альтернативных
источников энергии, разработку технологии безотходных производств,
контроль и устранение загрязнений и сельское хозяйство. Конечно,
биотехнология революционизирует и многие разделы медицины,
ветеринарии и фармацевтической промышленности.
Вышеизложенное
однозначно
предполагает
рассмотрение
биотехнологии как межотраслевой дисциплины, основанной на
применении многопрофильной стратегии (различных подходов) для
решения различных проблем.
Таблица 1
История развития молекулярной биотехнологии
Дата
Событие
КарлЭрекиввелтермин «биотехнология»
1943 Произведен пенициллин в промышленном масштабе
1944 Эвери, Мак Леод и Мак Карти показали, что генетический материал
представлен ДНК
1953 Уотсон и Крик определили структуру молекулы ДНК
1961 Учрежден журнал “Biotechnology and Bioengineering”
1961–
Расшифрован генетический код
1970 Выделена первая рестрицирующая эндонуклеаза
1972 Корана и др. синтезировали полноразмерный ген тРНК
1973 Бойер и Коэн положили начало технологии рекомбинантных ДНК
1975 Колер и Мильштейн описали получение моноклональных антител
1976 Изданы первые руководства, регламентирующие работы с
рекомбинантными ДНК
1976 Разработаны методы определения нуклеотидной последовательности
ДНК
1978 Фирма Genentech выпустила человеческий инсулин, полученный с
помощью E. coli
1982 Разрешена к применению в Европе первая вакцина для животных,
полученная по технологии рекомбинантных ДНК
1983 Для трансформации растений применены гибридные Ti-плазмиды
1988 Создан метод полимеразной цепной реакции (ПЦР)
1990 В США утвержден план испытаний генной терапии с использованием
соматических клеток человека
1990 Официально начаты работы над проектом «Геном человека»
1994–
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
Биотехнология применяет методы, заимствованные из химии,
микробиологии, биохимии, молекулярной биологии, химической
технологии и компьютерной техники с целью создания новых разработок,
развития и оптимального использования процессов, в которых
каталитические реакции играют фундаментальную и незаменимую роль.
Любой биотехнолог должен стремиться к достижению тесного
кооперирования со специалистами других смежных (близких) дисциплин,
таких, как медицина, пищевая промышленность, фармацевтика и
химическая индустрия, защита окружающей среды и процессы
переработки продуктов, представляющих собой отходы различных
производств.
Главная причина успехов биотехнологии кроется в разительных
успехах и быстром прогрессе молекулярной биологии, в частности в
разработке технологии рекомбинантных молекул ДНК. С помощью этой
технологии оказалось возможным непосредственно манипулировать с
наследственным материалом клеток, получая новые сочетания полезных
признаков и способностей. Возможности этих технических приемов,
которые впервые были разработаны в лабораториях, вскоре оказались
вполне приемлемыми в промышленных условиях. Однако, несмотря на
определенные, а порой и весьма значительные выгоды, которые несет
технология рекомбинантных молекул, постоянно следует учитывать
возможные опасности, связанные с вмешательством человека в природу.
В настоящее время развитие биотехнологии осуществляется со скоростью,
напоминающей
таковую
при
становлении
микроэлектронной
промышленности в середине 70-х годов.
Ни для кого уже не является секретом, что ископаемое топливо (хотя
и добываемое в настоящее время с большим избытком), а также другие не
восполняемые ресурсы, в один прекрасный день станут крайне
ограниченными. И совершенно естественно, что данное обстоятельство
уже сейчас заставляет искать новые, более дешевые и лучше сохраняемые
источники энергии и питания, которые могли бы восполняться
биотехнологическим путем. В этой ситуации страны с климатом,
позволяющим ежегодно производить большие количества биомассы,
будут находиться в более выгодных условиях по сравнению со странами с
менее благоприятными климатическими условиями. В частности,
тропические области земного шара в этом отношении имеют
существенное преимущество над другими регионами.
Следующим фактором, способствующим росту интереса к
биотехнологии, является современный мировой спад в химических и
инженерных направлениях, обусловленный частичным истощением
источников энергии. В силу этого биотехнология рассматривается в
качестве одного из важнейших средств рестимуляции (обновления)
экономики на основе новых методов, новой технологии и новых сырьевых
материалов. Фактически, индустриальный бум 1950-х и 1960-х годов был
обусловлен дешевой нефтью, так же как успехи в информационной
технологии обусловили в 1970-х и 1980-х годах развитие
микроэлектроники. И есть основания полагать, что 2000-е годы станут
эрой биотехнологии. Во всяком случае, в мире отмечается существенный
подъем исследований в области молекулярной биологии, возникновение
новых биотехнологических компаний, увеличение инвестиций в
биотехнологические отрасли промышленности (как национальными
компаниями, так и отдельными лицами), а также рост фундаментальных
знаний, увеличение количества источников информации и средств
информатики.
Многие биотехнологические процессы могут рассматриваться как
имеющие три главных стержневых компонента: первая часть состоит в
получении наиболее оптимальных катализаторов специфических
процессов, вторая часть сводится к обеспечению по возможности
оптимальных условий для осуществления требуемого каталитического
процесса и третья – связана с отделением и очисткой целевого продукта
или продуктов из ферментационной смеси.
В большинстве случаев наиболее эффективной, стабильной и
удобной формой для катализа биотехнологических процессов являются
цельные организмы, вследствие чего в биотехнологии широко
используются микробиологические процессы. Конечно, это не исключает
использование и высших организмов (в частности, культур растительных
и животных клеток), которые, несомненно, в будущем будут играть
важную роль в биотехнологии.
Микроорганизмы обладают огромным генетическим пулом (фондом),
позволяющим
им
осуществлять
практически
неограниченную
биосинтетическую деятельность и потенциал деградации. Кроме того,
микроорганизмам присущ исключительно быстрый рост, скорость
которого намного превышает скорость роста высших организмов
(растений и животных). Указанное свойство позволяет за короткий
промежуток времени осуществить синтез больших количеств требуемого
продукта в строго контролируемых условиях.
Существенным моментом первого компонента биотехнологии
является селекция и улучшение объекта с помощью различных
генетических методов, а в последнее время с использованием
высокоэффективных приемов молекулярной биологии, которые, как уже
упоминалось, способны обеспечить конструирование организмов с
новыми биохимическими возможностями.
Во многих случаях катализатор используется в изолированной форме
в виде очищенного фермента, для получения которого в настоящее время
разработаны эффективные методы выделения и очистки, а также методы
стабилизации.
Второй компонент биотехнологии связан с изготовлением систем,
обеспечивающих
оптимальное
функционирование
организмов-
продуцентов или чистых ферментов. Сюда относятся специальные знания
о химии процессов, а также сведения об инженерном обеспечении
конструирования и изготовления этих систем.
Наконец, третий компонент представляет собой довольно сложную и
дорогую процедуру биотехнологического процесса – выделение и очистку
целевого продукта. Этот компонент существенно увеличивает стоимость
всего процесса и может составлять до 70% стоимости готового
коммерческого препарата.
Многоэтапность
биотехнологических
процессов
определяет
необходимость привлечения к их осуществлению специалистов самого
различного профиля: генетиков и молекулярных биологов, биохимиков,
вирусологов, микробиологов и клеточных физиологов, инженеров-
технологов, конструкторов биотехнологического оборудования и т. п.
Сказанное позволяет утверждать, что чистых специалистов-
биотехнологов в природе не существует, да такого специалиста нельзя
себе и представить. Поэтому в биотехнологии с равным успехом работают
и микробиологи, и генетики, и биохимики, и клеточные и генетические
инженеры, и конструкторы, и т. д. и т. п., от деятельности которых
зависит пpoгpeсс и успех данной отрасли. Однако необходимо отдавать
себе отчет в том, что на развитие биотехнологии существенное влияние
могут оказывать деятельность различных политических и экономических
сил.
2. Выбор биотехнологических
объектов
Главным звеном биотехнологического процесса, определяющим всю
его сущность, является биологический объект, способный осуществлять
определенную модификацию исходного сырья и образовывать тот или
иной необходимый продукт. В качестве таких объектов биотехнологии