Значимым достижением генетики и микробиологии является открытие биотехнологии – промышленного способа производства биологических объектов на основе управляемого метаболизма живых организмов.
Биотехнология (от греч. bios - жизнь, tecen - искусство, logos - наука) представляет собой область знаний, которая возникла и сформировалась на стыке микробиологии, молекулярной биологии, генной инженерии, иммунологии, химической технологии и ряда других наук. Рождение биотехнологии обусловлено потребностями общества в новых, более дешевых продуктах для сельского хозяйства, для медицины и ветеринарии, а также принципиально новых технологий.
Целью биотехнологии являются получение продуктов из биологических объектов или с их применением, а также их воспроизводство. В качестве биологических объектов чаще всего используются одноклеточные микроорганизмы, животные и растительные клетки, а также организмы животных, человека или растений.
Биотехнология возникла в древности, примерно 6000- 5000 лет до н.э., когда люди научились выпекать хлеб, варить пиво, приготовлять сыр и вино. Этот первый этап биотехнологии был сугубо эмпирический и продолжал оставаться таким, несмотря на совершенствование технологических процессов и расширение сфер использования биотехнологических приемов, вплоть до открытия Л. Пастером в XIX в. ферментативной природы брожения. С этого момента начался второй, научный, этап традиционной биотехнологии.
В этот период получены и выделены ферменты, открыты многие микроорганизмы, разработаны способы их выращивания и получения в массовых количествах. Созданы культуры животных и растительных клеток и разработаны способы искусственного культивирования. В результате изучения физиологии, биохимии и генетики микробных и животных клеток намечены пути получения многих продуктов микробного синтеза, необходимых для медицины, сельского хозяйства и промышленности. Вначале сформировалась техническая микробиология, а затем - биотехнология. Однако промышленное производство сводилось в основном к получению на основе природных штаммов биомассы бактерий, дрожжей, грибов, вирусов, из которых затем получали или выделяли необходимый продукт (ферменты, антибиотики, антигены, белок и т.д.).
Рождение новой биотехнологии обусловлено рядом принципиальных открытий и достижений в науке: доказательство двунитевой структуры ДНК, расшифровка генетического кода и доказательство его универсальности для человека, животных, растений, бактерий, искусственный синтез биологически активных веществ. Произошло открытие ферментов обмена нуклеиновых кислот, получение рекомбинантных ДНК, а также рекомбинантных вирусов, бактерий, способных синтезировать несвойственные им продукты.
Биотехнология проникает во все сферы производства. Она делает первые шаги в космос, осваивая специфические неземные условия.
С самых первых шагов было очевидно, что космос создает для биотехнологических процессов не только большие трудности, но и большие преимущества. Они обусловлены, главным образом, невесомостью, существенно изменяющей течение физико-химических процессов, на которых основаны многие биотехнологии. Это, прежде всего, относится к производственным процессам электрофоретического или хроматографического разделения белков и других биоматериалов. Другая особенность состоит в том, что жидкости из-за повышенной (в сравнении с земными условиями) величины поверхностного натяжения и понижения сил гравитации обретают сферические формы, не нуждающиеся в сосудах, емкостях, минимизируется энтропия жидкостей. Это создает благоприятные условия для процессов кристаллизации белков – важного для многих биотехнологий процесса получения высококачественных белковых продуктов и для рентгеноструктурного анализа белков.
Первые работы в области космической биотехнологии возникли в начале 70-х годов. В настоящее время считается, что примерно 4 % рынка биотехнологических продуктов может быть обеспечено космосом.
В условиях невесомости уже получены кристаллы ферментов – лизоцима, галактозидазы. Получен ценный медицинский препарат эритропоэтин – гормон, стимулирующий образование красных кровяных телец.
Условия невесомости более благоприятны также для такого процесса, как инкапсулирование клеток в полупроницаемые мембраны. Инкапсулированные клетки, например, клетки поджелудочной железы животных, можно имплантировать (вживлять) в тело больных сахарным диабетом, где они могут продуцировать инсулин. Инкапсулированные клетки печени, например, можно использовать также для создания искусственных органов с целью очищения крови.
Огромный вклад в развитие биотехнологии вносит Институт медико-биологических проблем, которому 20 лет назад присвоили звание государственного научного центра (ГНЦ) России. Именно здесь изучают молекулярно-клеточные механизмы действия экстремальных факторов, внутриклеточные процессы в условиях космического полета. С этой целью был разработан уникальный бортовой прибор микрофлуориметр. Специалисты этого института доказали, что кратковременная невесомость на эффективность взаимодействия иммунных клеток не влияет.
Помимо этого биотехнология играет большую роль в оздоровлении окружающей среды: с помощью биотехнологических процессов проводят очистку от загрязняющих веществ почвы, водоемов, воздушной среды путем их биоконверсии и биодеградации.
Однако биотехнология не ограничивается получением только вышеперечисленных продуктов. Новейший раздел биотехнологии - генная и белковая инженерия - позволяет получать совершенно уникальные биотехнологические эффекты, открывать способы диагностики, профилактики и лечения врожденных болезней, влиять на свойства генома человека, животных и растений.
На Земле существует около 100 тыс. видов бактерий, не считая многочисленных грибов (250 тыс. видов), вирусов, простейших. Микробы способны синтезировать продукты или осуществлять реакции, полезные для биотехнологии. Однако в практике используют не более 100 видов микроорганизмов, так как остальные мало изучены.
Так, например, дрожжи используют в хлебопечении, пивоварении, виноделии, получении соков, кормового белка, питательных сред для выращивания бактерий и культур животных клеток. Из бактерий в биотехнологии чаще всего используют псевдомонады, например РР. denitrificans, - для получения витамина В12; Corynebacterium gentamicum - для получения аминокислот и др. Из грибов в биотехнологии для получения разнообразных антибиотиков применяют род Streptomyces, Penicilium chrysogenium, Cefalosporum acremonium.
Многие микроорганизмы - бактерии, дрожжи, вирусы - используются в качестве реципиентов чужеродного генетического материала с целью получения рекомбинантных штаммов - продуцентов биотехнологической продукции. Так получены рекомбинантные штаммы E. coli, продуцирующие интерфероны, инсулин, гормоны роста, разнообразные антигены; штаммы B. subtilis, вырабатывающие интерферон; дрожжи, продуцирующие интерлейкины, антигены вируса гепатита В; рекомбинантные вирусы осповакцины, синтезирующие антигены вируса гепатита В, вируса клещевого энцефалита и др.
Таким образом, биотехнология открывают перед человечеством огромные перспективы. В то же время следует помнить, что эксперименты в этой области могут быть опасными, так как при переносе генов могут возникнуть организмы с непредсказуемыми свойствами. Именно поэтому работы в области биотехнологии должны производиться и производятся в соответствии со строгими международными правилами.
Библиографическая ссылка
Мирзаханян Т.А., Сафина Л.Д., Шабарова М.Н., Яковлева Т.М. БИОТЕХНОЛОГИЯ НА ПОРОГЕ ОТКРЫТИЙ // Успехи современного естествознания. – 2014. – № 8. – С. 23-24;URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=33980 (дата обращения: 20.04.2024).