Краткая история развития биотехнологии

Старая биотехнология возникла в древнос­ти, примерно 6000—5000 лет до н. э., тогда, 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; получены культуры живот-

ных и растительных клеток и разработаны способы искусственного культивирования; в результате изучения физиологии, биохимии и генетики микробных и животных клеток намечены пути получения многих продук­тов микробиологического 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.).

На смену старой, традиционной биотехно­логии пришла новая биотехнология, основан­ная на применении искусственно получаемых штаммов — суперпродуцентов бактерий, кле­ток животных и растений, на использовании иммобилизованных ферментов, применении культур животных и растительных клеток, широком использовании генно-инженерных работ для получения клеток-рекомбинантов, моноклональных антител и других биологи­чески активных веществ.

Новая биотехнология возникла, таким об­разом, на основе достижений молекулярной биологии и микробиологии, генетики и ген­ной инженерии, иммунологии и химической технологии. Сердцевиной ее явилась генети­ческая инженерия, индустрия рекомбинант-ных ДНК.

Рождение новой биотехнологии обуслов­лено рядом принципиальных открытий и до­стижений в науке, таких как доказательство 2-нитевой структуры ДНК, расшифровка ге­нетического кода и доказательство его уни­версальности для человека, животных, расте­ний, бактерий и т.д.; искусственный синтез биологически активных веществ, открытие ферментов обмена нуклеиновых кислот, по­лучение рекомбинантных ДНК, а также ре-комбинантных вирусов, бактерий, способных синтезировать несвойственные им продукты; искусственный синтез генов и их экспрессия в биологических объектах; получение транс­генных животных и растений, генодиагности­ка и генотерапия и др.

Вышеупомянутые фундаментальные до­стижения позволили в течение последнего десятилетия расшифровать, синтезировать и создать рекомбинантные молекулы для цело­го ряда белковых продуктов (гормонов, ан­тигенов, ферментов, иммунопрепаратов) и получать их в несвойственных биологических системах.

Возможности генной инженерии и био­технологии в наши дни таковы, что ставится задача расшифровать и получить геном чело­века. Основная цель этой программы — про­чтение наследственной информации, запи­санной в ДНК человека, с тем чтобы уста­новить структуру и механизм работы генов и хромосомы и на основании этого попытать­ся исправлять наследственные повреждения генома человека, направленно менять гене­тическую программу животных и растений. Создана программа «Геном человека», кото­рая успешно решается. В настоящее время уже расшифровано примерно 5000 генов из 40—50 тыс., заложенных в ДНК человека, а также расшифрована нуклеотидная последо­вательность всей ДНК человека.

6.3. Микроорганизмы и процессы, приме­няемые в биотехнологии

На Земле существует около 100 000 видов бактерий, не считая многочисленных гри­бов (250 тыс. видов), вирусов, простейших. Микробы, как указывалось, 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 используются: род Acetobacter — для превра­щение этанола в уксусную кислоту, в углекис­лый газ и воду; род Bacillus — для получения ферментов (B. subtilis), средств защиты рас­тений {В. thuringiensis); род Clostridium — для сбраживания Сахаров в ацетон, этанол, бута-

нол; молочнокислые бактерии {Lactobacillus и др.); псевдомонады, например Ps. deni-trificans, — для получения витамина В12; Corinebacterium gentamicum — для получения аминокислот, и др.

Из грибов в биотехнологии для получения разнообразных антибиотиков применяют род Streptomices, Peniciliumchrysogenium, Cefalosporum acremonium, Streptomyces spp. и др.

Естественно, широкое применение в по­лучении диагностикумов, вакцин, имму­ноглобулинов, эубиотиков, фагов и других микробных препаратов находят патогенные и вакцинные штаммы болезнетворных мик­робов, а также условно-патогенные микро­организмы.

Многие микроорганизмы — бактерии, дрожжи, вирусы — используются в качестве реципиентов чужеродного генетического ма­териала с целью получения рекомбинантных штаммов — продуцентов биотехнологической продукции. Так, получены рекомбинантные штаммы Б. coli, продуцирующие интерферо-ны, инсулин, гормоны роста, разнообразные антигены; штаммы В. subtilis, вырабатывающие интерферон; дрожжи, продуцирующие интер-лейкины, антигены вируса гепатита В, реком­бинантные вирусы осповакцины, синтезиру­ющие антигены гепатита В, вирус клещевого энцефалита — ВИЧ и другие антигены.

Широкое применение в биотехнологии на­шли культуры животных и растительных кле­ток. Известно, что строение, физиология и биохимия животных и растительных клеток более сложны, чем бактериальных клеток. Хотя из животных и растительных клеток можно извлекать более широкой ассорти­мент сложных и ценных веществ, однако их трудно культивировать. Из культур клеток растений (так же как и из растений) можно получать разнообразные соединения, исполь­зуемые в медицине (алкалоиды, противовос­палительные вещества, противолейкозные и противоопухолевые, противобактериальные, сердечные и мочегонные средства, фермен­ты, опиаты, витамины и др.), в сельском хозяйстве, в химической и других отраслях промышленности. Например, разработано и освоено в крупномасштабном производстве выращивание клеток женьшеня, обладающе-

го биологическим действием, присущим при­родному женьшеню.

Животные клетки используют как для по­лучения продукции, синтезируемой клетка­ми, так и для выращивания в клетках вирусов с целью получения из них вакцин и диагнос­тических препаратов. Для этого используют перевиваемые и первичные (первично-трип-синизированные) клетки человека и живот­ных, полученные из различных нормальных органов (легких, кожи, почки, костного моз­га, соединительной ткани) или опухолевых тканей. Штаммы животных и раститель­ных клеток поддерживаются в специальных сложных условиях (замороженные в жидком азоте) и как можно реже подвергаются пере­севам, так как они могут претерпевать гене­тические изменения.

Технология получения продуктов микро­бного и клеточного синтеза принципиаль­но сводится к нескольким типовым стади­ям: выбор продуктивного штамма; подбор оптимальной для роста экономичной пита­тельной среды; культивирование; выделе­ние целевого продукта, его стандартизация и придание лекарственной формы препарату. Перечисленные стадии и процессы осущест­вляются в промышленной биотехнологии на соответствующем оборудовании и аппаратуре в крупных масштабах при получении многих медицинских препаратов.