Этапы развития биотехнологии как науки

Этапы развития биотехнологии как науки

Биотехнология. Наука биотехнология. Этапы развития биотехнологии.

Биотехнология [от греч. bios, жизнь, + techne, мастерство] — наука, изучающая производственные процессы, основанные на использовании с различными целями микроорганизмов, биокатализаторов и различных биологических систем (культур растительных и животных тканей, протопластов и т.д.). Её отличие от традиционной микробиологической и бродильной промышленности заключается в том, что биотехнология возникла на основе достижений генной инженерии и инженерной эн-зимологш (науки о применении ферментов в микробиологической промышленности). Современная биотехнология базируется на применении последних достижений в области создания рекомбинантных ДНК и генетически модифицированных организмов.

Этапы развития биотехнологии

Истоки биотехнологии относят ко времени развития хлебопечения, виноделия, сыроварения, получения спирта брожением, силосования кормов и т.д. Лишь в 70-х годах XX столетия, со времени зарождения генной инженерии, началось бурное развитие биотехнологии. Выделяют следующие наиболее важные периоды в становлении биотехнологии.

• Развитие эмпирической технологии — неосознанное применение микробиологических процессов (хлебопечение, виноделие) примерно с VI тыс. до н.э.

• Зарождение фундаментальных биологических наук в XV—XVIII веке.

• Первые внедрения научных данных в микробиологическое производство в конце Х1Х-начале XX века — период революционных преобразований в микробиологической промышленности.

• Создание научно-технических предпосылок возникновения современной биотехнологии в первой половине XX века (открытие структуры белков, применение вирусов в изучении генетики клеточных организмов).

Возникновение собственно биотехнологии как новой научно-технической отрасли (середина XX века), связанное с массовым рентабельным производством препаратов; организация крупнотоннажных производств по получению белка на углеводородах (с начала 60-х годов).

Появление новейшей биотехнологии, связанное с применением в практике генной и клеточной инженерии, инженерной энзимоло-гии, иммунной биотехнологии.

Каждую неделю население нашей планеты увеличивается в среднем на 1,2 млн. человек, и по прогнозам специалистов в ХХI веке оно должно превысить 6 млрд. Современный человек потребляет в сутки около 800 г пищи и 2000 мг воды.

Главная роль в решении проблемы мирового дефицита пищевых продуктов отводилась в недалеком прошлом интенсификации сельскохозяйственного производства. Однако научно доказано, что ликвидировать огромный дефицит в питании лишь за счет расширения посевных площадей, увеличения поголовья скота, роста продуктивности растениеводства и животноводства невозможно, поэтому предпринимаются меры, которые заключаются не только в увеличении валового урожая, но и повышении пищевой ценности продуктов. Разумеется для совершенствования сельскохозяйственного производства еще не все резервы использованы. Наиболее реальный выход — это поиск новых эффективных способов увеличения пищевых ресурсов планеты, использование нетрадиционных видов сырья, создание безотходных и внедрение новых технологий.

Накопленный в мире опыт создания новых технологий указывает на актуальность работ в области биотехнологии и необходимость ускорения внедрения научно-технических достижений биотехнологии в различные отрасли народного хозяйства. Под биотехнологией понимают изучение важнейших микробиологических процессов и их практическое использование индустриальным способом, а также методы получения полезных для человека веществ и продуктов в регулируемых условиях, используя клетки животных и растений или изолированные из клеток биологические структуры.

Развитие биотехнологии и использование ее достижений, согласно определению Европейской Федерации биотехнологов (ЕФБ, 1984), связано с накоплением фундаментальных знаний в области молекулярной биологии, цитологии и генетики, теоретическими и прикладными разработками в области науки о питании, совершенствованием технологии переработки сырья в готовую продукцию. В биотехнологии широко используются генетическая и клеточная инженерия, иммунокоррекция и биоинженерия.

Осмысление биотехнологии произошло в ХХ в. Идея взаимоотношений человека и микромира с двух позиций — враждебности и дружелюбия — впервые обоснована основателем современной микробиологии Луи Пастером, его учениками и последователями (А. де Бари, Э. Дюкло, Э. Ру, Ш.Э. Шамберлан, Р.Кох, И.И. Мечников, Д. Листер, Д.И. Ивановский). В последующем сделаны важнейшие открытия, благодаря которым микроорганизмы стали сознательно применять для производства ряда пищевых продуктов.

На третьем съезде Европейской ассоциации биотехнологов, состоявшемся в 1984 г. в Мюнхене, предложено ретроспективное деление истории биотехнологии на пять периодов, соответствующих важнейшим открытиям, обуславливающих новые возможности для науки и промышленного использования (табл. 3.1). Каждый из периодов развития биотехнологии ознаменовался такими открытиями, которые навсегда определили значение этой науки в развитии человечества. К ним относится целенаправленное использование микроорганизмов в технологии хлеба, вина, кисломолочных продуктов, получение чистых культур микроорганизмов на селективных питательных средах, обнаружение вирусов и бактериофагов, теоретическое обоснование механизма ферментативных реакций, крупнотоннажный синтез органических веществ, в т.ч.

Основные вехи развития биотехнологии

Дата Открытия и разработки
Допастеровская эра (до 1865 г.) Использование спиртового брожения и молочнокислого брожения для получения пива, вина, хлебопекарных и пивных дрожжей, сыра
1665 г. Р. Хуком описаны клеточные структуры некоторых биологических объектов
1673-1683 гг. А. Левенгук обнаружил одноклеточные микроорганизмы и бактерии
1769-1780 гг. Г.К. Шеле получены органические кислоты (винная, молочная, лимонная, бензойная)
1857 г. Установлено обязательное участие дрожжей в брожении
Послепастеровская эра (1856-1940 гг.) Производство этанола, бутанола, ацетона, глицерина, органических кислот и вакцин. Очистка сточных вод. Производство кормовых дрожжей из углеводов
1865 г. И.Г. Менделем доказаны законы наследственности
1875 г. Р. Кохом разработан метод получения чистых культур микроорганизмов
1894 г. И. Такамине получен первый ферментный препарат, выделенный из гриба, выращенного на влажном рисе
1897 г. Установлено, что бесклеточные экстракты дрожжей способны гидролизовать сахара.
1908 г. И.И. Мечниковым создана единая теория иммунитета
1911-1920 гг. Т.Х. Морганом сформулирована хромосомная теория наследственности
Эра антибиотиков (1941-1960 гг.) Производство пенициллина и других антибиотиков путем глубинной ферментации. Получение вирусных вакцин, микробиологическая трансформация стероидов
1942 г. С. Ваксманом сформулировано учение об антибиотиках
Эра управляемого биосинтеза (1961 г.) Производство аминокислот с помощью микробных мутантов, получение чистых ферментов, промышленное применение иммобилизованных ферментов и клеток
Эра новой биотехнологии Использование генной инженерии для получения новых объектов биосинтеза. Трансплантация эмбрионов
1972 г. П. Бергом разработана технология клонирования ДНК
1994 г. На продовольственном рынке после 10 лет испытаний появился генетически модифицированный устойчивый при хранении томат Flavr Savr («Calgene, Inc., США»)
1999 г. В России зарегистрирована первая генетически модифицированная соя линии 40-3-2 («Monsanto Co., США»)
Читайте также:  Алексей щербаков stand up биография

Накопленные научные факты побудили в 1950 г. француза Ж. Моно опубликовать работу о теоретических основах непрерывного управляемого культивирования микробов в биореакторах. В дальнейшем фундаментальные работы Ф. Крика и Дж. Уотсона (1953 г.) по установлению структуры ДНК стали фундаментом исследований по генной инженерии и молекулярной биотехнологии. Выяснение механизмов функционирования и регулирования ДНК, выделение и изучение специфичных ферментов привело к формированию научного подхода к разработке биотехнологических процессов на основе генно-инженерных работ. В 1982 г. на рынке появился человеческий инсулин, выработанный кишечными палочками, несущими в себе встроенную генетическую информацию об этом гормоне. По аналогичной технологии получены и другие генно-инженерные препараты, например, интерфероны, которые обеспечивают иммунитет человека.

Согласно классификации, предложенной И.А. Роговым, историю развития биотехнологии в области производства пищевых продуктов можно классифицировать как традиционную биотехнологию, современную и новейшую в соответствии с применяемыми методами и процессами:

— традиционная биотехнология (включает от трех до шести тысячелетий, вплоть до ХХ в) — период спонтанной, ненаправленной ферментации, происходящей в процессах производства вина, хлеба, пива, уксуса, квашении капусты, молочных продуктов;

— современная биотехнология — связана с использованием биотехнологии в различных производственных процессах, в первую очередь для производства различных органических веществ, а также для изготовления пищевых продуктов (синтез пищевых кислот, производство кормового микробного белка на основе углеводов нефти, этанола и метанола в количестве более 1,8 млн. т, витаминов в количестве более 3 тыс. т);

— новейшая биотехнология — базируется на научных открытиях в области молекулярной биологии и генетики, т.е. достижениях генной инженерии (период характеризуется расширением исследований, направленных на внедрение в практику сельскохозяйственного производства генетически модифицированных или трансгенных растений, устойчивых к гербицидам, инсектицидам, вирусам, обладающих повышенными потребительскими свойствами).

Процессы, используемые в биотехнологии, основаны на функционировании либо клеток, либо изолированных из них биологических структур, чаще всего ферментов. В крупнотоннажных биотехнологических производствах ферментационный процесс реализуют, используя активные, специально селекционированные культуры микроорганизмов.

В последние годы наиболее активно развивается направление биотехнологии, связанное с созданием генетически модифицированных продуктов питания. Достижения современной науки позволяют осуществить перенос генов любого организма в клетку реципиента для получения растения, животного или микроорганизма с рекомбинантными генами и, соответственно, свойствами.

В результате трансгенной модификации растения становятся устойчивыми к гербицидам, инсектицидам, вирусам. Большое значение приобретают новые технологии получения трансгенных сельскохозяйственных животных и птицы, направленные на повышение продуктивности и оптимизацию отдельных частей и тканей туши (тушек), что оказывает положительное влияние на качество и физико-химические свойства мяса, его технологичность и промышленную пригодность, особенно в условиях дефицита сырья. Возможность использования специфичности и направленности интегрированных генов позволяет менять структуру и цвет мышечной ткани, рН, жесткость, влагоудерживающую способность, степень и характер жирности (мраморность), а также консистенцию, вкусовые и ароматические свойства мяса после технологической обработки. С помощью генной инженерии можно не только добиться желаемых показателей, но и повысить приспосабливаемость животных и птицы к окружающей среде, получить устойчивость к заболеваниям, направленно изменить наследственные признаки.

Даже в самых прогрессивных процессах биотехнологии, основанных на использовании биологических агентов, полученных методами генной и клеточной инженерии, важно знать основные принципы, использование которых позволяет управлять метаболизмом микроорганизмов и получать конечный продукт с максимальным выходом на фоне высокой интенсификации процесса. В целом, в основу биотехнологии положены современные представления о микроорганизмах и ферментных препаратах.

Читайте также:  Асфикция

Основными приоритетными направлениями развития биотехнологии в производстве продуктов питания являются:

— использование биомассы микроорганизмов и препаратов на их основе в качестве заменителей основного сырья, источника обогащения витаминов, микро- и макроэлементов, продуцента ферментов, аминокислот, ароматизаторов и красителей с целью совершенствования технологических процессов, создания принципиально новых технологий, повышения пищевой ценности, увеличения срока хранения, улучшения вкуса, аромата, консистенции и других характеристик.

— применение иммобилизованных ферментов, преимущество которых заключается в возможности многократного их использования, повышенной стабильности и длительности ферментативной активности, возможности использования при непрерывных технологических процессах, сравнительно коротком времени воздействия на субстрат, возможности создания мультиферментных систем, отличающихся высокой эффективностью действия, и, наконец, в гигиенической безопасности. При правильном выборе иммобилизованного фермента и технологического процесса его использование позволяет добиться существенного улучшения экономических показателей.

Подводя итог можно отметить, что биотехнология является динамично развивающейся отраслью как в мире, так и в России. Неслучайно по решению ООН ХХI в. объявлен веком биотехнологии. Предполагается, что в 2005 г. европейский биотехнологический рынок достигнет 100 млрд. евро, а к 2010 г. объем мирового биотехнологического сектора будет составлять два трлн. евро. Ученые считают, что именно с ее помощью можно будет решить глобальные проблемы, обострившиеся в настоящее время: экологические, продовольственные, промышленные, медицинские.

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

Читайте также:  Левый бок болит и отдает в живот

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.

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.

Ссылка на основную публикацию
Эссенциале форте что лечит
Состав и форма выпуска Фармакологические свойства Показания Применение Противопоказания Побочные эффекты Особые указания Взаимодействия Передозировка Условия хранения Актуальная информация Диагнозы...
Эозинофилы в кале у грудничка
Что такое эозинофилы Нормы эозинофилов у детей О чем говорит повышенный уровень эозинофилов Причины повышения эозинофилов у новорожденных Эозинофилы и...
Эозинофилы у кошки повышены причины
Общий анализ крови является одним из основных методов диагностики состояния животного. В нем определяют такие показатели, как общее число лейкоцитов,...
Эссхол
..Но не пытайся для себя хранить тебе дарованное. Моим сексуальным воспитанием занималась газета. Приложение к АИФ "Я-молодой". Я выписывал ее...
Adblock detector