Биотехнология как наука, история ее развития
Биотехнология (технология живых систем, технология биопроцессов) — научно-практическое направление по использованию объектов биологического происхождения или их систем (культур клеток, бактерий, животных, растений и др.), особенности метаболизма которых обеспечивают выработку специфических веществ. Биотехнология определяет совокупность методов и приемов использования живых организмов, биологических продуктов и биотехнических систем в производственной сфере.
Термин «биотехнология» предложил венгерский инженер Карл Эреки в 1917 г., описывая процессы биотрансформации при производстве свинины как конечного продукта с использованием сахарной свеклы в качестве корма для свиней. Под биотехнологией К. Эреки понимал «все виды работ, при которых из сырьевых материалов с помощью живых организмов производятся те или иные продукты». Все последующие определения этого понятия — всего лишь вариации формулировки К. Эреки. Так, по определению академика Ю.А. Овчинникова, «биотехнология — комплексная, многопрофильная область научно-технического прогресса, включающая разнообразный микробиологический синтез, генетическую и клеточную инженерную энзимологию, использование знаний, условий и последовательности действия белковых ферментов в организме растений, животных и человека, в промышленных реакторах».
Биотехнологическое происхождение имеют генно-инженерные белки (интерфероны, интерлейкины, инсулин, вакцины для профилактики инфекционных и паразитарных заболеваний), ферменты, диагностические средства (тест-системы для определения наркотических, лекарственных веществ, гормонов в биологических средах), аминокислоты, витамины, антибиотики, бактериофаги, биодеградируемые пластмассы, биосовместимые материалы и др. В настоящее время с помощью биотехнологии не только решаются серьезные проблемы медицины, но и создаются продукты питания. С помощью новых современных производственных биопроцессов разрабатываются полезные ископаемые, решается проблема энергоресурсов, восстанавливаются нарушения экологического равновесия.
Выделяют следующие направления биотехнологии:
- фармацевтическую биотехнологию;
- медицинскую биотехнологию;
- биотехнологию средств диагностики и химических реактивов;
- пищевую биотехнологию;
- сельскохозяйственную биотехнологию;
- биотехнологию препаратов и продуктов для промышленного и бытового использования;
- экологическую биотехнологию;
- биоэнергетику;
- биоэлектронику;
- биогеотехнологию;
- космическую биотехнологию и др.
В истории развития биотехнологии как науки условно выделяют следующие периоды: эмпирический, этиологический, биотехнический и генотехнический.
Зарождение биотехнологии началось более 8000 лет назад. В эмпирический (доисторический) период древние народы при изготовлении хлеба, пива, сыра и некоторых других продуктов уже интуитивно использовали методы, которые теперь мы относим к биотехнологическим, связанным с жизнедеятельностью микроорганизмов.
Этиологический (пастеровский) период развития биотехнологии, охватывающий вторую половину XIX в. и первую треть XX в., связан с работами французского ученого, основоположника научной микробиологии Луи Пастера. Именно в этот период была доказана индивидуальность микроорганизмов и получены их чистые культуры. Микробиологи стали успешно выращивать на питательных средах разнообразные штаммы микроорганизмов для их дальнейшего использования в биотехнологических процессах.
Биотехнический период развития и формирования биотехнологии связан с публикацией в 1933 году А. Клюйвером работы «Методы изучения обмена веществ у плесневых грибов», в которой впервые были описаны основные биотехнологические подходы. Началось внедрение в биотехнологические процессы крупномасштабного герметизированного оборудования, обеспечивавшего стерильные условия.
В дальнейшее развитие биотехнологии как науки внесли огромный вклад работы американского ученого О. Эйвери и соавт. (1944), показывающие роль молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) в качестве носителя генетической информации, а также исследования английского ученого Э. Чаргаффа (1950), доказавшего, что в молекуле ДНК сумма пуриновых азотистых оснований равна сумме пиримидиновых. В 1953 г. американские ученые Дж. Уотсон и Ф. Крик создали трехмерную модель ДНК и показали, что макромолекула построена из двух правозакрученных спиралей. Именно эти исследования стали основополагающими для перехода к четвертому — генотехническому периоду развития биотехнологии.
Важной для понимания биотехнологических процессов стала предложенная в 1961 году Ф. Жакобом и Ж. Моно теория оперона, объясняющая механизм «включения» и «выключения» тех или иных структурных генов в зависимости от потребностей клетки в различных белках.
В 1973 г. было опубликовано сообщение о возможности успешного переноса генов из одного организма в другой, что легло в основу получения рекомбинантной ДНК с использованием методов генной инженерии. В 1990 г. произошли два принципиально важных события, ознаменовавших дальнейшее развитие биотехнологии: была разрешена генотерапия (применительно только к соматическим клеткам человека) и утвержден международный проект «Геном человека».
В настоящее время прогрессивно возрастают количество и спектр биотехнологических продуктов. Рекомбинантные белки, вторичные метаболиты микроорганизмов и растений, полусинтетические лекарственные средства, являющиеся одновременно продуктами био- и оргсинтеза, успешно применяются в медицине и хозяйственной деятельности человека.
Нельзя не согласиться с мнением ученых, которые, пусть несколько условно, подразделяют биотехнологию на «старую» и «новую».