Живых организмов, биологических систем и процессов».

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

могут выступать клетки микроорганизмов, животных и растений,