Лекция 1
Введение. Предмет биотехнологии. Связь с другими науками. История
биотехнологии. Основные направления современной биотехнологии.
Биотехнология – одна из наиболее быстро развивающихся областей
промышленности и наиболее перспективная в силу ее экономичности и
экологичности.
Термин
«биотехнология»
понимается
в
настоящее
время
не
однозначно. В расширительном толковании биотехнология – это все
технологические процессы, в которых используются живые организмы. Но
при таком понимании все сельское хозяйство, начиная с самых первобытных
его форм, нужно включить в биотехнологию. В точном понимании слова это
справедливо, но вряд ли конструктивно, т.к. не содержит в себе ничего
нового. Противоположная крайность – ограничить биотехнологию генноинженерными манипуляциями. Под впечатлением недавно еще немыслимых
возможностей воздействовать на геном, буквально – «лепить живые формы»,
возникла тенденция оставить понятие биотехнология для обозначения только
этой, безусловно, самой перспективной и самой быстро развивающейся
области прикладной биотехнологии. Но при этом остается за бортом
биотехнологии
то,
что
составило
ее
действительную
основу
–
биотехнологические, главным образом, промышленные микробиологические
производства.
Если отказаться от обеих крайних позиций, то биотехнологию можно
определить по ее основному признаку – управлению биотехнологическими
процессами. Согласно этому представлению, биотехнология является наукой
о способах получения целевых продуктов с помощью биосинтеза,
управляемого параметрами среды или генно-инженерными манипуляциями,
либо сочетанием этих воздействий.
Таким образом, основой биотехнологии является управляемый
биосинтез. Параметрическое управление составляет ее классическое
содержание, хотя и в эту область последние десятилетия внесли много
1
нового,
в
частности,
технику
непрерывного
культивирования
микроорганизмов с обратной связью.
Реальная возможность конструирования генома – это достижение
последних лет. Его перспективы необозримы. Сочетание генетического и
параметрического
управления
биосинтезом
способствует
взаимному
усилению возможностей этих методологических подходов. Вероятно, их
сочетанное использование определит лицо биотехнологии ближайшего
будущего.
В условиях, когда императивной задачей всей технологической
цивилизации становится переход к экологически совместимым, «дружественным природе» технологиям, биотехнология привлекает внимание прежде
всего. Биотехнологические процессы сродни живой природе по самой своей
основе, продукты биосинтеза биологическими же процессами могут быть и
разрушены. В этом видится выход из основного тупика современных
технологий – производства и накопления недеградируемых продуктов и
засорения ими природной среды.
Неизбежная
переориентация
промышленности
на
безотходные
производства делает биотехнологию областью наиболее быстрого развития в
ближайшем будущем с широким спектром производств – от замещающих
генов и гормонов в медицине до биометаллургии.
Таблица 1
Области науки, новейшие результаты которых важны для развития
биотехнологии
Генетическая инженерия
Биокатализ
Иммунология
Технология ферментации
Технология рекомбинантных ДНК.
Ферменты (выделение, иммобилизация).
Целые микробные клетки
(иммобилизация, стабилизация).
Моноклональные антитела.
Производство продуктов.
Переработка отходов.
2
ВВЕДЕНИЕ
Биологические технологии (биотехнологии) обеспечивают управляемое
получение
полезных
деятельности.
Эти
продуктов
технологии
для
различных
базируются
сфер
человеческой
на
использовании
каталитического потенциала различных биологических агентов и систем –
микроорганизмов, вирусов, растительных и животных клеток и тканей, а
также внеклеточных веществ и компонентов клеток. В настоящее время
разработка и освоение биотехнологии занимают важное место в деятельности
практически всех стран. Достижение превосходства в биотехнологии
является одной их центральных задач в экономической политике развитых
стран. Лидерами биотехнологии являются сегодня США и Япония,
накопившие многолетний опыт биотехнологий для сельского хозяйства,
фармацевтической, пищевой и химической промышленности. Прочное
положение в производстве ферментных препаратов, аминокислот, белка,
медикаментов
занимают
страны
Западной
Европы
(ФРГ,
Франция,
Великобритания), а также Россия. Эти страны характеризуются мощным
потенциалом
новой
техники
и
технологии,
интенсивными
фундаментальными и прикладными исследованиями в различных областях
биотехнологии. Определить сегодня, что же такое биотехнология, весьма не
просто. Вместе с тем, само появление этого термина в нашем словаре
глубоко
символично.
Оно
отражает
мнение,
что
применение
биотехнологических материалов и принципов в ближайшие годы радикально
изменит многие отрасли промышленности и само человеческое общество.
Интерес к этой науке и темпы ее развития в последние годы растут очень
быстро.
Человек использовал биотехнологию многие тысячи лет: люди
занимались пивоварением, пекли хлеб, получали кисломолочные продукты,
применяли
ферментации
для
получения
лекарственных
веществ
и
переработки отходов. Но только новейшие методы биотехнологии, включая
методы генетической инженерии, основанные на работе с рекомбинантными
3
ДНК, привели к «биотехнологическому буму», свидетелями которого
являемся мы в настоящее время. Новейшие технологии генетической
инженерии
позволяют
существенно
усовершенствовать
традиционные
биотехнологические процессы, а также получать принципиально новыми,
ранее недоступными способами разнообразные ценные продукты.
Развитие и преобразование биотехнологии обусловлено глубокими
переменами, происшедшими в биологии в течение последних 25–30 лет.
Основу
этих
событий
составили
новые
представления
в
области
наследственности и методические усовершенствования, которые приблизили
человечество к познанию превращений ее материального субстрата и
проложили дорогу новейшим промышленным процессам. Помимо этого, ряд
важнейших открытий в других областях также повлиял на развитие
биотехнологии (табл. 1).
Генетическая инженерия существует немногим более 20 лет. Она
блестяще
раскрыла
свои
возможности
в
области
прокариотических
организмов. Однако новые технологии, применяемые к высшим растениям и
животным, пока не столь значительны. Попытки применения приемов
генетической инженерии к высшим растениям и животным сталкиваются с
огромными трудностями, обусловленными как несовершенством наших знаний
по генетике эукариот, так и сложностью организации высших организмов.
Использование
научных
достижений
и
практические
успехи
биотехнологии тесно связаны с фундаментальными исследованиями и
реализуется на самом высоком уровне современной науки. В этом плане
нельзя не отметить удивительную научную многоликость биотехнологии: ее
развитие и достижения теснейшим образом связаны и зависят от комплекса
знаний не только наук биологического профиля, но также и многих других
(рис. 1).
Сегодня биотехнология стремительно выдвинулась на передние
позиции научно-технического прогресса. Фундаментальные исследования
жизненных явлений на клеточном и молекулярном уровнях привели к
4
появлению
принципиально
новых
технологий
и
получению
новых
продуктов. Традиционные биотехнологические процессы, основанные на
брожении, дополняются новыми эффективными процессами получения
белков, аминокислот, антибиотиков, ферментов, витаминов, органических
кислот и др. Наступила эра новейшей биотехнологии, связанная с
получением вакцин, гормонов, интерферонов и др. Важнейшими задачами,
стоящими
перед
биотехнологией
сегодня,
являются:
повышение
продуктивности сельскохозяйственных растительных культур и животных,
создание новых пород культивируемых в сельском хозяйстве видов, защита
окружающей среды и утилизация отходов, создание новых экологически
чистых процессов преобразования энергии и получения минеральных
ресурсов.
Характеризуя перспективы и роль биотехнологии в человеческом
обществе, уместно прибегнуть к высказыванию на одном из Симпозиумов по
биотехнологии японского профессора К. Сакагучи, который говорил
следующее: «... ищите все, что пожелаете, у микроорганизмов, и они не
подведут вас... Изучение и применение в промышленности культур клеток
млекопитающих и растений, иммобилизация не только одноклеточных, но и
клеток многоклеточных организмов, развитие энзимологии, генетической
инженерии,
вмешательство
в
сложный
и
недостаточно
изученный
наследственный аппарат растений и животных все больше расширят области
применения
существующих
направлений
биотехнологии
и
создадут
принципиально новые направления».
5
Биохимия
Генетика
Микробиология
Электроника
Химия
Научные основы
получения
пищевых продуктов
БИОТЕХНОЛОГИЯ
Биоинженерия
Биохимическая
технология
Технология пищевой
промышленности
Химическая
технология
Механическая
технология
Рис.1. Междисциплинарная природа биотехнологии
БИОТЕХНОЛОГИЯ – НОВАЯ КОМПЛЕКСНАЯ ОТРАСЛЬ
Современный этап научно-технического прогресса характеризуется
революционными изменениями в биологии, которая становится лидером
естествознания. Биология вышла на молекулярный и субклеточный уровень,
в ней интенсивно применяются методы смежных наук (физики, химии,
математики, кибернетики и др.), системные подходы. Бурное развитие
комплекса наук биологического профиля с расширением практической
сферы их применения обусловлено также социально-экономическими
потребностями общества. Такие актуальные проблемы, стоящие перед
человечеством второй половины ХХI века, как дефицит чистой воды и
пищевых веществ (в особенности белковых), загрязнение окружающей
среды, недостаток сырьевых и энергетических ресурсов, необходимость
развития новых средств диагностики и лечения, не могут быть решены
традиционными методами. Поэтому возникла острая необходимость в
разработке и внедрение принципиально новых методов и технологий.
Большая роль в решение комплекса этих проблем отводится биотехнологии,
в рамках которой осуществляется целевое применение биологических систем
и процессов в различных сферах человеческой деятельности. В современной
биотехнологии в соответствии со спецификой сфер ее применения
6
целесообразно
выделить
в
качестве
самостоятельных
ряд
разделов
следующие:
*
Промышленная микробиология;
*
Медицинская биотехнология;
*
Технологическая биоэнергетика,
*
Сельскохозяйственная биотехнология;
*
Биогидрометаллургия;
*
Инженерная энзимология;
*
Клеточная и генетическая инженерия;
*
Экологическая биотехнология.
Перспективность и эффективность применения биотехнологических
процессов в различных сферах человеческой деятельности, от получения
пищи и напитков до воспроизводства экологически чистых энергоносителей
и новых материалов обусловлена их компактностью и одновременно
крупномасштабностью,
производительности
высоким
труда.
Эти
уровнем
процессы
механизации
поддаются
и
контролю,
регулированию и автоматизации. Биотехнологические процессы, в отличие
от химических, реализуются в «мягких» условиях, при нормальном давлении,
активной реакции и невысоких температурах среды; они в меньшей степени
загрязняют окружающую среду отходами и побочными продуктами, мало
зависят от климатических и погодных условий, не требуют больших
земельных площадей, не нуждаются в применении пестицидов, гербицидов и
других,
чужеродных
для
окружающей
среды
агентов.
Поэтому
биотехнология в целом и ее отдельные разделы находится в ряду наиболее
приоритетных направлений научно-технического прогресса и является ярким
примером «высоких технологий», с которыми связывают перспективы
развития многих производств. Биологические технологии находятся в
настоящее время в фазе бурного развития, но уровень их развития во многом
определяется научно-техническим потенциалом страны. Все высокоразвитые
страны мира относят биотехнологию к одной из важнейших современных
7
отраслей, считая ее ключевым методом реконструкции промышленности в
соответствии
с
потребностями
времени,
и
принимают
меры
по
стимулированию ее развития.
Биотехнологические процессы многолики по своим историческим
корням и по своей структуре, они объединяют элементы фундаментальных
наук, а также ряда прикладных отраслей, таких как химическая технология,
машиностроение, экономика. Научная многоликость биотехнологии в целом
и
ее
раздела,
имеющего
целью
решение
природоохранных
задач,
удивительна: они использует достижения наук биологического цикла,
изучающих
надорганизменный
уровень
(экология),
биологические
организмы (микробиология, микология), суборганизменные структуры
(молекулярная биология, генетика). Через биологию на биотехнологию
влияют химия, физика, математика, кибернетика, механика. Современные
биотехнологии также остро нуждаются в научно-обоснованной проработке
технологии и аппаратурном оформлении. Поэтому необходима органическая
связь
с
техническими
науками
–
машиностроением,
электроникой,
автоматикой. Общественные и экономические науки также имеют большое
значение в развитии экологической биотехнологии, так как решаемые ею
практические задачи имеют большое социально-экономическое значение для
развития любого общества. К биотехнологии, как ни к одной любой отрасли
и области научных знаний, подходят знаменитые слова Луи Пастера: «Нет, и
еще тысячу раз нет, я не знаю такой науки, которую можно было бы назвать
прикладной. Есть наука и есть области ее применения, и они связаны друг с
другом, как плод с взрастившим его деревом».
ИСТОРИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ
И ФОРМИРОВАНИЯБИОТЕХНОЛОГИИ
Вопрос о формировании биотехнологии трактуется неоднозначно: по
мнению одних (Овчинников, Баев, Скрябин), считается правомерным
отнести к сфере биотехнологии древние процессы брожения, включая
получение спирта, силосование; по мнению других (Аиба, Хемфри, Миллис),
8
условной датой появления биотехнологии можно считать присуждение
компании
«Мерк
Кемикал
Компани»
за
достижения
в
области
биохимической технологии в 1947 г. премии Мак-Гро – Хилла и, наконец,
есть мнение, что начало биотехнологии следует отнести к 70-м годам ХХ
столетия
к
моменту
зарождения
генетической
инженерии.
Видимо,
правомерно отнести возникновение современной биотехнологии, начавшей
свое формирование на базе существующих отраслей микробиологической
промышленности,
к
началу
предшествующий
данному
50-х
годов
прошлого
этап
называть
периоду
века,
а
весь
предысторией
формирования биотехнологии, ведущей корни из древнейших цивилизаций.
Предысторию формирования биотехнологии можно подразделить на
ряд этапов:
– появление эмпирической технологии в 6-м тысячелетии до н.э.,
– зарождение естественных наук в XV–XVII веках;
– формирование
микробиологических
производств
и
начало
взаимодействия науки и микробиологических производств в конце XIX –
10-х годах XX века, вызвавшее революционное преобразование
микробиологических производств;
– создание научно-технических предпосылок для возникновения
современной биотехнологии (10-е – конец 40-х годов XX века).
Человек
хозяйственной
с
древнейших
деятельности
микроорганизмы,
не
времен
начал
биологические
зная
об
их
использовать
организмы,
в
своей
в
частности
существовании.
Первым
микробиологическим процессом, использованным на практике, было
брожение – процесс обмена веществ, при котором в органическом субстрате
происходят
изменения
под
воздействием
микробных
ферментов.
Возбудителями бродильных процессов являются грибы, бактерии, дрожжи.
Данные
организмы
легко
культивируются,
быстро
размножаются
в
сравнительно простых условиях и синтезируют ферменты, вызывающие
разложение органических веществ. С древнейших времен брожение
9
применяли при хлебопечении, пивоварении и виноделии. Так, при раскопках
Вавилона обнаружены дощечки, насчитывающие 6000 лет, с описанием
процесса приготовления пива, а в пирамидах Египта, построенных в этот же
период, – караваи хлеба. Есть сведения об очистных сооружениях, которые
функционировали в древнем Риме. С 3–4-го тысячелетий известны человеку
процессы пектинового брожения, лежащие в основе мочки прядильных
растений, льна, конопли и др. С древнейших времен человечество
сталкивалось
и
с
отрицательными
последствиями
деятельности
микроорганизмов (порча продуктов, инфекционные болезни людей и
домашнего скота). Следствием этого на первых этапах были неосознанные,
эмпирические попытки разработки методов и средств борьбы с этими
явлениями. Так стали возникать методы консервирования продуктов.
Во второй половине XV века начитается развитие современного
естествознания. На становление и развитие биологии существенное влияние
оказали успехи химии, которая из описательной в этот период превращается
в аналитическую. Произошли сдвиги в изучении сущности процессов
брожения; появился термин «ферментация», а процесс брожения стали
связывать с наличием в среде дрожжей или ферментов. В XVI–XVII веках
сначала во Франции, а затем повсеместно для разрыхления теста стали
использовать пивные дрожжи; позднее с изменением и совершенствованием
технологии пивоварения для этих целей стали применять дрожжи спиртовых
производств. В Европе стали добывать медь в процессах бактериального
выщелачивания.
Во второй половине XVIII века была доказана способность одного
вещества разлагать другое. Это послужило началом экспериментального
изучения уникальной способности ферментов к катализу специфических
химических реакций. Таким образом, развитие описательной микробиологии
и изучение химических превращений стали важной предпосылкой для
становления микробиологии и биохимии.
10
В XIX веке с развитием химических наук были заложены основы
органической химии. В этот период были открыты многие органические
кислоты, глицерин, холестерин, глюкоза, первые аминокислоты, осуществлен
синтез мочевины. Для зарождения энзимологии большое значение имело
изучение процесса гидролиза полисахаридов. Огромное влияние на создание
научных основ микробиологических производств имели работы Луи Пастера,
который по просьбе правительства Франции исследовал причины нарушения
технологических процессов в ряде производств. Работая в области
прикладной
микробиологии,
Пастер
сделал
ряд
крупнейших
фундаментальных открытий, которые заложили основы современной
технической микробиологии. Пастер неоспоримо доказал, что болезни, порча
продуктов, брожение и гниение вызываются микроорганизмами, и создал
теорию об экзогенности попадания этих организмов в среду. Этим была
доказана несостоятельность бытующей в то время теории самозарождения
микроорганизмов. Работы Пастера заложили научные основы виноделия,
пивоварения, производства спирта и уксуса, борьбы с инфекционными
болезнями. Современник Пастера Гексли, оценивая работы Пастера, говорил,
что «... он своими открытиями возместил Франции большую часть
контрибуции, уплаченной Германии». Крупным достижением данного
периода
была
разработка
метода
чистых
культур,
а
также
усовершенствование сред для выделения и выращивания микроорганизмов.
Чистые культуры стали применять в сложившихся микробиологических
производствах. Большое значение имели работы по изучению микробного
антагонизма и применению его в медицине. Мечниковым было создано
учение об антагонизме микробов и научно обоснованы рекомендации для
практических применений этого учения. В этот период активно изучалась
азотфиксация. Немецкие исследователи Гельригель и Вильфарт установили
биологическую природу процесса фиксации азота бобовыми растениями, а
Бейеринк выделил чистую культуру клубеньковых бактерий и доказал их
присутствие в ризосфере растений. Тогда же блестящими работами
11
Виноградского, Омельянского, Надсона, Исаченко были заложены основы
геологической микробиологии; начато изучение роли микроорганизмов в
превращениях серы, железа, кальция, грязеобразовании. Стали закладываться
научные основы биологической обработки и обезвреживания стоков.
Очистные сооружения, известные со времен Древней Индии и Римской
империи и пришедшие в упадок в средние века, с бурным развитием
промышленности на рубеже XIX–XX веков вновь стали предметом
пристальных исследований. В этот период начала складываться энзимология.
Для изучения и применения ферментов потребовалась разработка и подбор
специальных
«мягких»
методов
выделения
и
очистки.
Началось
практическое применение ферментных препаратов для подслащивания ряда
веществ, появились препараты для дубления кож и применения в аналитике.
В 70–80-е годы XIX столетия были заложены основы культивирования
растительных клеток и животных тканей. После работ Шванна и Вирхова,
назвавших клетку элементарным организмом, возник интерес к изучению
живых клеток, и начались эксперименты по сохранению жизнеспособности
клеток и кусочков тканей в специфических условиях и средах. В 1865 г.
Мендель доложил Обществу испытателей природы свои наблюдения о
закономерностях передачи наследственных признаков.
В начале XX века были введены термины «мутации», «ген», возникла
гипотеза Сэттона-Бовери о том, что хромосомы являются материальными
носителями наследственных признаков. Русский цитологНавашин раскрыл
особенности структуры хромосом и заложил основы хромосомной теории
наследственности.
Таким образом, в данный период внедрение научных знаний дало
возможность приступить к разработке научно-обоснованных биотехнологий
многих производственных процессов.
Последний период эры предыстории современных биотехнологий (10-е
– 40-е годы XX века) условно можно подразделить на два этапа. На первом
этапе, в начале его, в основном, происходило усовершенствование
12
технологии существующих производств, а затем, благодаря успехам
микробиологии, биохимии и других наук того периода, в результате
принципиальных усовершенствований аппаратуры и технологий возникла
основа для организации новых производств. В этот период стали выпускать
новые экологически чистые биоудобрения и биологические препараты для
борьбы с вредителями и болезнями сельскохозяйственных растений,
возникли
производства
растворителей,
ряда
спиртов),
целевых
начались
продуктов
(органических
промышленные
испытания
биотехнологических процессов переработки и использования растительных
отходов. Второй этап данного периода тесно связан с биотехнологическими
методами получения ряда сложных веществ – антибиотиков, ферментов,
витаминов. Революционным моментом данного периода была промышленная
реализация технологии производства антибиотиков. Отправной точкой при
этом
послужило
открытие
Флемингом,
Флори
и
Чейном
химиотерапевтического действия пенициллина. Практически одновременно в
СССР Ермольева, изучая действие лизоцима, показала, что он является
фактором естественного иммунитета, а Гаузе и Бражникова получили новый
активный препарат – антибиотик грамицидин.
После второй мировой войны в ходе интенсивного развития
промышленных
биотехнологий
были
организованы
производства
аминокислот, белка одноклеточных, превращение стероидов, освоено
культивирование
клеток
животных
и
растений.
Интактные
клетки
микроорганизмов широко стали использовать для получения лекарственных
веществ стероидной природы, были организованы крупные производства
вакцин.
Эра новейших биотехнологических процессов, возникшая в течение
последних 25–30 лет, связана с использованием иммобилизованных
ферментов
и
клеточных
рекомбинантных
ДНК.
органелл,
Бурно
а
также
развивающиеся
основана
в
на
настоящее
методах
время
генетическая и клеточная инженерия способствуют тому, что биотехнологии
13
постепенно завоевывают все новые и новые области производства и
решительно внедряются во многие сферы деятельности человека. В 50-е годы
после
успешного
использования
для
получения
вакцины
вируса
полиомиелита, выращиваемого в культуре клеток млекопитающих, линии
культур
клеток
человека
стали
незаменимыми
для
выделения
и
культивирования ряда других вирусов, производства антител, интерферона,
противоопухолевых химиопрепаратов. В конце 60-х годов иммобилизованные
ферменты и клетки стали успешно применяться не только для производства
полусинтетических
препаратов,
но
и
для
проведения
несложных
биохимических анализов.
Возникновение генетической инженерии условно относят к 1972 году,
когда в США Бергом была создана первая рекомбинантная молекула ДНК. С
середины 70-х годов данной проблемой интенсивно занимаются тысячи
научных коллективов и промышленных компаний во всех странах мира.
Сочетание слов «генетика» и «инженерия» свидетельствуют о том, что
наступило время, когда стало возможным конструирование рекомбинантных
ДНК и целенаправленно создавать искусственные генетические программы.
Это дало возможность организовать получение многих важных препаратов, а
также начать работу по получению новых суперштаммов-деградаторов
промышленных токсикантов. Внедрение новейших методов биотехнологии в
настоящее
время
биотехнологии,
позволяют
производит
включая
переворот
биотехнологические
интенсифицировать
экологически
в
различных
областях
процессы.
Эти
методы
чистые
биотехнологии
воспроизводства пищи и кормовых препаратов, решать методами задачи
обеспечения человечества материальными и энергетическими ресурсами и
также природоохранные проблемы.
Таким образом, корни биотехнологических процессов уходят в далекое
прошлое, а их будущее необычайно широко и перспективно. Современном
биологическим технологиям под силу создать отрасли, основанные на
14
функционировании биологических систем, метаболические системы которых
обладают уникальными достоинствами и подчинены интересам человечества.
15
