Научные предпосылки возникновения биотехнологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Московский государственный открытый университет

«Научные предпосылки возникновения биотехнологии»

Москва,2010

Оглавление

1. Древнейшие микробиологические производства

2. Краткая история развития биотехнологии. Научно-методические школы

3. Научные предпосылки возникновения биотехнологии

Список литературы

1. ДРЕВНЕЙШИЕ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОИЗВОДСТВА

Не было такого времени, когда человек не знал о существовании растений или животных и не умел бы их использовать. Сначала они были объектом охоты и собирательства, в неолите человек начал выращивать их - зародилось сельское хозяйство. С этого времени ведут свое начало сложнейшие эмпирические методы селекции растений и животных, позволившие постепенно создать все то разнообразие сортов культурных растений и пород животных, с которым человечество вошло в XX век.

Микроорганизмы играют важнейшую роль в круговороте веществ, но об их существовании долгое время было неизвестно. Дело в том, что из-за своих размеров (1-20 микрон, т.е. 0,001-0,02 мм) эти крохотные организмы не видны невооруженным глазом. Микробов можно иногда видеть лишь если они скопятся в больших количествах - в виде налета в горле больного ангиной, пленки или осадка в вине и т.д., но и в этом случае без микроскопа не видно, что это - скопление живых организмов.

Не зная о существовании микроорганизмов человек с древнейших времен сталкивался с результатами их деятельности - разложением органических веществ, гниением, брожением, инфекционными болезнями и т.д. Трудно точно определить, в какой части света и когда впервые эти процессы стали сознательно использовать для обработки пищевых продуктов и какие именно из микробиологических производств зародились первыми. Но мы можем с уверенностью сказать, что уже в неолите человек научился использовать процесс брожения, лежавший в основе всех микробиологических производств вплоть до начала нашего столетия.

Брожение - это расщепление под действием ферментов, образуемых микроорганизмами, сахаров и других углеводов, содержащихся в органическом сырье, с образованием спиртов, молочной, уксусной и других кислот, газа и т.д. Не зная сути процесса люди, видели его результаты: под действием микроорганизмов в различных пищевых продуктах (раздавленных ягодах, соке, молоке, тесте и т.д.) происходят превращения, изменяющие их вкус, цвет, запах, структуру. Брожение препятствует протеканию другого микробиологического процесса - гниения, приводящего к порче пищи.

Создание эмпирической технологии производств, связанных с переработкой пищи, напитков и волокон (виноделие, пивоварение, хлебопечение, производство кисломолочных продуктов, уксуса, мочка льна, обработка кож и пр.) было важнейшей составляющей неолитической революции, тесно связанной с другими достижениями этого времени. Переход к земледелию и скотоводству привел к возникновению излишков продуктов питания. Необходимо было сохранять их, чему способствовали квашение, засолка, вяление, сыроделие и другие бродильные производства. В неолите возникло разделение труда, стали образовываться города, появилась частная собственность. Впервые возникли слои населения, не занятые постоянной добычей пропитания. Для них приобретало значение не просто утоление голода, а удовольствие, получаемое от еды и питья. Они предпочитали есть душистый хлеб, вкусный сыр, всевозможные соления и копчения и запивать еду вином, пивом и другими их местными аналогами.

Широкое распространение спиртных напитков в древности имело еще один важный социальный аспект. Объединение людей в крупные поселения в теплом климате несет угрозу распространения эпидемий различных желудочно-кишечных заболеваний, поэтому вряд ли было бы возможно, если бы не применение вместо питьевой воды вина, пива и других продуктов бродильных производств, которое сокращало риск заболевания. Даже рабов в древнем мире поили дешевым вином или разбавленным уксусом. Распространение продуктов с длительным сроком хранения, обработанных с помощью брожения, также сокращало риск пищевых отравлений.

Виноделию и пивоварению уделено особое внимание в мифологии и религии древности. Так, у древних греков виноделием ведал один из наиболее почитаемых богов - Дионис. В библии изобретение виноделия приписывается Ною.

Вино было важным объектом торговли в античном мире. О масштабах этой торговли говорит хотя бы такой факт: большие территории в Египте поливали, используя амфоры из-под греческого вина.

Тысячелетиями эмпирическая технология и оборудование бродильных производств постепенно совершенствовались, но не претерпевали качественных изменений. Единственное принципиальное достижение - изобретение в средневековье процесса дистилляции для получения спирта из вина, браги и т.д.

Также в древности микробиологические процессы стали применяться для обработки стоков. В Древней Индии, Греции, Риме существовали сложные канализационные сооружения для отвода городских стоков на земельные участки, где они подвергались разложению под действием естественных биоценозов. В средневековой Европе эти сооружения пришли в упадок, и антисанитарные условия в городах часто приводили к эпидемиям.

Важная область, в которой человечество не ведая того, сталкивалось с результатами деятельности микроорганизмов -- медицина, там создавались сложные эмпирические методики борьбы с инфекционными болезнями.

С возникновением естествознания и развитием техники в новое время началось движение к пониманию сущности бродильных производств, инфекционных болезней и других микробных процессов. В ХVII веке развитие оптики оказало большое влияние на биологию. В 1665 г. описана клеточная структура некоторых растительных тканей, наблюдаемая с помощью системы линз (Р. Хук). Чуть позднее А. Левенгук с помощью примитивного микроскопа открыл мир микроорганизмов. В 1673 г. он впервые увидел одноклеточные, а спустя 10 лет -- и бактерии. Но эти открытия не повлияли на бродильные производства и медицину, роль микроорганизмов в возникновении инфекционных болезней, процессе брожения еще долго была неизвестна.

Конец ХVIII века ознаменовался успехами в химии, был получен в чистом виде ряд органических кислот, в том числе - продуктов брожения (винная, молочная, уксусная и пр.). В 1796 г. проведена первая успешная вакцинация человека против оспы, хотя природа болезни была еще не известна (Э. Дженнер).

В XVIII веке в работы над гибридизацией растений начинают проникать научные подходы, что можно рассматривать как первое продвижение к постижению законов наследственности, изучаемых генетикой.

Век XIX стал переломным в развитии биологии. В 1831 г. в результате наблюдения в микроскопе сделан вывод, что ядро является важной и незаменимой частью клетки (Р. Браун), а в 1838--1845 годах разработана теория клеток, согласно которой структурной и функциональной единицей растений и животных является клетка, которая содержит ядро (М.Я. Шлейден, Т. Шванн, Р. Вирхов).

Во второй половине XIX в. была вскрыта биологическая сущность применяемых ранее процессов брожения. В 1836 г. были опубликованы наблюдения, что в осадках, остающихся после брожения, содержатся частицы, способные размножаться (К. де Латур). И, наконец, в 1857г. французский химик Л. Пастер, который по просьбе промышленников занялся проблемами виноделия и пивоварения, доказал, что спиртовое брожение происходит только в присутствии живых дрожжей. Работы Пастера имели огромное фундаментальное значение, они положили начало микробиологии как науке. В результате работ Л.Пастера и его современников произошла революция в технологии бродильных производств, имевшая большой экономический эффект. Результаты внедрения в виноделие и пивоварение Франции работ Пастера принесли такую выгоду, что она покрыла расходы, связанные с выплатой страной контрибуции за проигранную франко-прусскую войну. Другое важное достижение Пастера - переворот в подходе к инфекционным болезням, в приготовлении вакцин. Вакцинация от сибирской язвы и, особенно, бешенства быстро распространилась по всему миру и спасла много жизней.

Большое значение имело раскрытие сущности совершающихся при брожении превращений веществ (Г. и Э. Бухнеры, А.Н. Лебедев, С.П. Костычев, Л.А. Иванов, В.И. Палладин и др.) и разработка метода чистых культур микроорганизмов (Р. Кох, О. Брефельд). Одновременно шло усовершенствование аппаратуры.

В XIX веке в биологии произошло еще одно важное событие, не замеченное современниками. В 1865 г. католический монах, учитель математики из провинциального города Брюне (Брно) Грегор Мендель произвел переворот в изучении гибридизации растений. Он сформулировал и экспериментально обосновал законы наследственности, положив начало одного из ключевых направлений современной биологии -- генетики. Работы Менделя, где к биологии впервые применены строгие математические методы, давшие поразительные результаты, настолько опередили свое время, что биологи их даже не критиковали - их игнорировали. Немногочисленные ссылки на эти работы носили пренебрежительный характер. Единственное исключение, обнаруженное А.Е. Гайсиновичем в научных трудах XIX в. - адекватная оценка работ Менделя русским ботаником И.Ф.Шмальгаузеном.

2. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ БИОТЕХНОЛОГИИ НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ШКОЛЫ

Биотехнология формировалась и эволюционировала по мере развития человеческого общества. Ее возникновение, становление и развитие условно можно подразделить на 4 периода: эмпирический, этиологический, биотехнический и генотехнический.

Эмпирический (от греческого empeirikos - опытный) или доисторический период - самый длительный, охватывающий примерно 8000 лет. Древние люди того времени интуитивно использовали приемы и способы изготовления хлеба, пива и некоторых других продуктов, которые теперь мы относим к разряду биотехнологических. В течение нескольких тысячелетий известен уксус, издревле приготавливавшийся в домашних условиях, хотя о микробах - индукторах этого процесса мир узнал в'1869 г. благодаря работам Пастера. К тому же, эмпирическому периоду, относятся: получение кисломолочных продуктов, квашеной капусты, медовых алкогольных напитков, силосование кормов.

Этиологический (от греческого aitia - причина) период в развитии биотехнологии охватывает вторую половину XIX века и первую треть XX века (1856-1933гг.) Он связан с выдающимися исследованиями великого французского ученого Луи Пастера (1822-1895) - основоположника научной микробиологии и ряда микробиологических дисциплин (промышленной, медицинской, химической, санитарной). Пастер открыл микробную природу брожений, доказал возможность жизни в бескислородных условиях, экспериментально опроверг ходячее тогда представление о самопроизвольном зарождении живых существ, создал научные основы вакцинопрофилактики и вакцинотерапии; предложил метод стерилизации, называемый по его имени пастеризацией и т.д.

Биотехнический - третий период в развитии биотехнологии начинается со времени опубликования в 1933 году А.Клюйвером и Л.Х.Ц.Перкиным работы «Методы изучения обмена веществ у плесневых грибов», в которой были изложены основные технические приемы, а также подходы к оценке и интерпретации получаемых результатов при глубинном культивировании грибов. Началось внедрение в биотехнологию крупномасштабного герметизированного оборудования, обеспечивающего проведение процессов в стерильных условиях. Особенно мощный толчок в развитии промышленного биотехнологического оборудования был отмечен в период становления и развития производства антибиотиков. Все прогрессивное в области биологических и технических дисциплин достигнутое к тому времени, нашло свое отражение в биотехнологии.

Генотехнический (от греч. genesis- происхождение, возникновение, рождение), четвертый период в биотехнологии начался в 1972г. В этом году П. Берг со своими сотрудниками в США создали первую рекомбинантную молекулу ДНК. Естественно, что без фундаментальной работы Ф. Крика и Дж.Уотсона (1953) по установлению структуры ДНК было невозможно достигнуть современных результатов в области биотехнологии. Выяснение механизмов функционирования и регуляции ДНК, выделение и изучение специфичных ферментов привело к формированию строго научного подхода к разработке биотехнологических процессов на основе генно-инженерных работ. В этом суть генотехнического периода. Уже в 1982 г. поступил в продажу человеческий инсулин, выработанный кишечными палочками, несущими в себе искусственно встроенную генетическую информацию об этом гормоне. В течение последних 10-15 лет текущего столетия происходило бурное развитие биотехнологии, определились сферы приоритетного внедрения конкретных результатов биотехнологических разработок, и, как следствие, появились такие названия , как медицинская биотехнология, иммунобиотехнология, биогеотехнология, инженерная энзимология и т.д.

Изучение естественных дисциплин и ознакомление с отдельными прогрессивными технологиями поможет будущим специалистам гуманитарных направлений расширить кругозор и познакомиться с конкретными естественнонаучными проблемами, тесно связанными с экономическими, социальными и другими проблемами, от решения которых зависит уровень жизни каждого из нас.

В России передовыми организациями, ведущими исследования в области биотехнологии являются - центр «Биоинженерия РАН», - Пущинский научный центр РАН, - Инновационный центр «Инкубатор биотехнологий», - Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина РАН, - ВНИИ «Синтез-белок», - ВНИИ биотехнологии, - Институт молекулярной биологии РАН, Институт генетики и селекции промышленных микроорганизмов.

Учебные заведения, которые готовят специалистов по биотехнологии, также обладают научно-методическими школами. Это:

Институт прикладной биотехнологии (г. Москва).

Институт тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова (МГАТХТ) (г. Москва).

Химико-фармацевтический институт (г. С.-Петербург).

3. НАУЧНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ БИОТЕХНОЛОГИИ

В первой половине XX в. практическое применение достижений бурно развивающейся биологии интересовало многих ученых, биология стала рассматриваться как могущественное орудие решения многих социальных проблем. Эти ожидания реализовались в рассматриваемый период лишь частично, основные успехи достигнуты во второй половине века с возникновением новой отрасли - биотехнологии.

Развитие фундаментальных основ биотехнологии

Начало XX века ознаменовалось важными изменениями в фундаментальных науках, составляющих научный базис биотехнологии

В биологии начался качественно новый исторический период. К этому времени возникли новые междисциплинарные отрасли знания (физическая химия, биохимия и др.).

Благодаря развитию биохимии были достигнуты крупные успехи в области исследования обмена веществ, природы биокаталитических процессов, происходящих в клетках. Был изучен ряд ферментов, гормонов, витаминов, а в конце периода - антибиотиков.

На пороге XX века зародилась генетика. Сразу несколько исследователей опубликовало работы, где были изложены результаты, аналогичные результатам Менделя (Г. де Фриз, К.Корренс, Э.Чермак), причем все они в той или иной форме ссылались на его работы. Труды Менделя прочно вошли в научный оборот, он посмертно стал очень знаменитой личностью. В 1911-20 годах Т.Х.Морган создал при комплексном применении методов генетики и цитологии хромосомную теорию наследственности. Генетика оформилась как самостоятельная наука и впоследствии она оказала большое влияние на становление биотехнологии. Социальные ожидания, связанные в первой половине XX в. с развитием генетики, и задачи, которые она себе ставила, подробно рассмотрены ниже в разделе, посвященном биоэтике.

В нашей стране генетика была на передовых рубежах. К 1930 г. по генетике публиковалось ежегодно до 4000 работ. Во время второй мировой войны только по генетике растений было опубликовано 13 тыс. работ. В стране создавались передовые научные школы генетиков - Н.И. Вавилова, Н.К. Кольцова, А.С. Серебровского, Ю.А. Филипченко, С.С. Четверикова и другие. С.С. Четвериков был одним из основоположников эволюционной генетики. Н.П. Дубинин экспериментально обосновал делимость гена. А.Р. Кизель и А.Н. Белозерский внесли большой вклад в становление молекулярной биологии. Н.К.Кольцов начал работать по генетике микроорганизмов, что имело большое значение для дальнейшего развития биотехнологии, где именно микроорганизмы часто используются как промышленные объекты. Большое значение имели работы по индуцированному мутагенезу - управлению процессом мутации, одной из самых могущественных сил природы, позволяющей скачкообразно изменять наследственность и получать организмы с новыми свойствами. В СССР были получены первые данные по наследственной изменчивости микроорганизмов под влиянием лучей радия (Г.А. Надсон и Г.С. Филиппов, 1925), а также под влиянием химических веществ (Г.А. Надсон, М.Н. Мейсель, 1926). Эти открытия мутационной природы изменчивости не сразу повлияли на генетику и почти до 1940 г. микробиология и генетика развивались изолированно. И.А. Рапопорт и Ш. Ауэрбах в 1946 г. показали, что многие химические соединения, проникая в клетку, способны индуцировать мутации.

С 40-х годов в генетические исследования проникли идеи и методы физики и химии. В 1943 г. физик-теоретик Э. Шредингер в курсе лекций привлек внимание физиков к проблемам биологии, в частности к работе Н.К. Тимофеева-Ресовского, К. Циммера и М. Дельбрюка, где было доказано, что ген не может быть белком, как думали ранее, так как его молекула меньше, чем молекула белка. Ф.Крик, Дж.Уотсон и другие физики начали заниматься проблемами биологии и впоследствии сделали ряд крупных открытий. В качестве объекта исследования все шире использовались микроорганизмы.

В 20-30-х годах отечественные ученые были бесспорными мировыми лидерами в области генетики, но с 1936 г., а особенно после сессии ВАСХНИЛ 1948 г. начались гонения на классическую генетику, аресты крупнейших генетиков. В результате страна потеряла научные приоритеты и Нобелевские премии получили западные ученые, повторившие (нередко через десятилетия) и развившие почти неизвестные им достижения русских генетиков. Борьба с “буржуазной лженаукой” сказалась на всех направлениях теоретической и прикладной биологии, все развитие биологии в России было искажено. Например, в 1948 г. в передовой статье первого номера журнала “Гидролизная промышленность СССР” указывалось, что “биохимические процессы производства должны преподаваться на основе мичуринской биологической науки”, т.е. идей полуграмотного Лысенко, поддержанных партийным руководством. Еще в 1961 г. в программе партии по предложению Т.Д. Лысенко было записано - "шире и глубже развивать мичуринское направление в биологической науке" и этот пункт находился в программе вплоть до 27 съезда партии. Честные и грамотные ученые - противники этих идей подвергались разного рода репрессиям. Это оказало крайне негативное воздействие на все области применения биологии в нашей стране, особенно на биотехнологию и сельское хозяйство, и привело к огромным экономическим потерям. Была нарушена приемственность развития теоретической и прикладной биологии, уничтожены ведущие научные школы. В то время, как крупнейшие биологи и их ученики были репрессированы или отлучены от науки, их место заняли выдвиженцы Лысенко. Среди них преобладали два типа “ученых” - приспособленцы, готовые ради карьеры поддержать и развивать любые, даже самые бредовые, идеи, и искренние сторонники “мичуринской биологии” - в основном люди с низким уровнем образования и научной культуры. Они и их ученики еще долгое время занимали ключевые позиции в отечественной фундаментальной и прикладной биологии, что до сих пор влияет на уровень исследований и моральный климат в этой отрасли науки.

Усовершенствование технологического оформления микробиологических процессов

В первой половине XX века технологическое оформление микробиологических процессов было существенно усовершенствовано.

С конца XIX в. в промышленность начали внедрять специально подобранные чистые культуры микроорганизмов, осуществляющие процесс в нужном направлении (Э.Х. Гансен). Это существенно повысило стабильность производств.

В конце периода начался переход к глубинному аэробному культивированию. В 1933 г. голландские ученые А. Клюйвер и Л.Х.Ц. Перкин изложили основные технические приемы и подходы к оценке получаемых результатов при глубинном культивировании грибов. Интенсивность аэрации и рентабельность процессов постепенно росли, но совершенствование метода глубинного культивирования лимитировалось в этот период отсутствием теоретических исследований по массообмену.

В начале XX в. осуществлялась разработка и внедрение технологии непрерывного культивирования. Одними из первых изучением непрерывных процессов занимались русские ученые С.В. Лебедев, М.Д. Утенков, Д.Н. Климовский. В ряде стран были получены патенты на непрерывное выращивание дрожжей. Но недостаточная разработка теоретических основ этого процесса и отсутствие адекватной аппаратуры препятствовали широкому внедрению в производство этого метода.

До начала XX в. продукты обычно выделяли грубой фильтрацией (например, вино) или грубой дистилляцией (крепкие алкогольные напитки). В начале XX в. для получения новых, более чистых продуктов, потребовалась более сложная технология их выделения. Были усовершенствованы методы дистилляции, применялась экстракция и другие методы.

Достижением первой половины ХХ в., имевшим важное значение для последующего развития биотехнологии, было построение в 1942г. первой математической модели микробиологического процесса периодического культивирования (Ж.Моно, Франция), в основе которой лежит предположение, что скорость роста клеток связана с концентрацией субстрата и весь метаболизм определяется скоростью самой медленной реакции. Развитию микробиологических производств способствовало и появление, и внедрение новой техники (рН-метры, аналитические центрифуги, электрофоретическое разделение различных веществ, хроматография, метод меченых атомов и т.д.).

Научные и технические достижения конца XIX - начала XX в. позволили усовершенствовать существовавшие производства и, главное, впервые организовать новые микробиологические производства, основанные на бродильных процессах, и расширить спектр веществ, получаемых с помощью микроорганизмов. Решающее значение для этого имело изучение промежуточных этапов брожения, позволившее влиять на ход процессов, а также получать в промышленных условиях не только конечные, но и промежуточные продукты метаболизма, предотвращая их дальнейшую переработку в ходе процесса.

С развитием промышленности росло и количество промышленных отходов и стоков, они начали представлять серьезную проблему. В конце XIX - начале XX в. были созданы первые специальные установки для биологической очистки стоков в искусственных условиях, такие установки внедрялись и в России.

Появлению ряда новых производств во многом способствовали военные потребности, возникшие во время мировых войн. Например, в Германии во время первой мировой войны было осуществлено производство глицерина (К. Нейберг); микробиологическим способом начали производить и жиры (П. Линднер).

Эмигрант из России химик Хаим Вейсман (стоявший у истоков сионизма) обратился к исследованиям в области ферментации, так как мечтал найти способ выгодно утилизировать растительное сырье своей исторической родины - Палестины. Его целью было не столько решение научной задачи, сколько создание коммерчески успешных производств бутанола (для создания синтетического каучука). С самого начала многообещающего, но рискованного проекта он, по словам Р. Бада, удачно эксплуатировал “желание общественности верить”, создавая впечатляющий прецедент для будущего биотехнологии. В преддверии и особенно во время Первой Мировой войны наибольшее значение приобрел побочный продукт процесса - ацетон, который использовался при производстве взрывчатых веществ. С начала века велись работы по микробиологическому производству ацетона (который ранее получали в небольших количествах сухой перегонкой дерева через уксусный порошок), в 1911 - 1913 годах в Англии, США и Германии были получены первые патенты. Однако именно "Х. Вейсман буквально почти в одиночку спас Англию от недостатка боеприпасов". Возможно, это утверждение несколько преувеличено - Вайсман использовал результаты исследований коллег, с которыми работал до этого, но его вклад в создание реального производства в критическое для Англии время был решающим. Позднее авторитет Вейсмана способствовал решению Англии передать Палестину евреям, и он стал первым президентом Израиля.

В 20-х - 30-х годах микробиологическим способом начали также производить фумаровую, глюконовую, щавелевую, лимонную кислоты, сорбозу, н-бутанол, некоторые витамины, ферменты и т.д. На этом этапе микробиологические производства оказались более рентабельными, чем химические, и до 1940 г. именно микробиологическим способом получали важные для промышленности растворители (этиловый спирт, ацетон, бутанол, пропанол и др.) и органические кислоты. Впоследствии многие органические кислоты начали получать химическим путем, но часть из них (лимонная, молочная, уксусная, пропионовая, глюконовая, итаконовая) производят с помощью микроорганизмов.

Важнейшей вехой в развитии промышленной микробиологии было становление производств, основанных на биосинтетической деятельности микроорганизмов - витаминов, ферментов, антибиотиков.

В Советском Союзе микробиологическим производствам в ходе общего процесса индустриализации уделялось большое значение и были достигнуты существенные успехи. Бурный рост химической и пищевой промышленности, запросы здравоохранения, сельского хозяйства потребовали получения органических кислот, растворителей, хлебопекарных и кормовых дрожжей, бактериальных удобрений и других продуктов. Это обусловило необходимость технической перестройки существовавших в России полукустарных производств, создания новых производств. В 20-30х годах были изучены процессы и усовершенствована технология получения уксуса (В.Н. Шапошников и др.) и хлебопечения (В.А. Николаев, В.Л. Омелянский, Е.Н. Мишустин, Г.Л. Селибер и др.), интенсивно проводились исследования по получению и применению бактериальных удобрений (В.Л. Омелянский, И.А. Макринов, С.П. Костычев, Е.Н. Мишустин и др.). В 30-е годы на основе фундаментальных исследований по физиологии грибов, проведенных под руководством В.С. Буткевича и С.П. Костычева, было организовано первое в СССР промышленное производство лимонной кислоты, а в результате исследований В.Н.Шапошникова и его школы было организовано производство очищенной молочной кислоты, ацетона и бутилового спирта. В 1926-28 годах С.В. Лебедев предложил метод получения синтетического каучука и для этого производства нужно было наладить получение технического спирта на непищевом сырье. В результате решения химических и технических проблем кислотного гидролиза древесины и разработки микробиологических основ процесса в 1935 г. в СССР было налажено производство спирта на гидролизатах древесины (В.И. Шарков, В.В. Первозванский и др.); это позволило сэкономить миллионы пудов хлеба, который ранее расходовался для его получения. С 30-х годов в СССР началось производство ферментов (Н.И. Сербинова, Л.И. Гелан, Р.В. Фениксова, А.А. Имшенецкий). В 30-40х годах в нашей стране началось производство витаминов с помощью микробиологического синтеза (М.Н. Мейсель, Е.Н. Одинцова и др.).

В то же время отрасль, как и все хозяйство страны, несла существенные потери в результате репрессий. Особенно сильно не повезло специалистам пищевой промышленности и сельского хозяйства, на которых списали недостаток продуктов питания и голод - последствия развала сельского хозяйства, вызванного коллективизацией и другими результатами аграрной политики. Так, в 1930г. был проведен показательный процесс техников, технологов и ученых - пищевиков, в результате было расстреляно 48 специалистов. Нередко в результате репрессий страдали наиболее передовые технологии, непонятные малограмотным идеологам. Так, на ацетоно-бутиловом заводе в Грозном были арестованы И.С. Логоткин и Э. Гуревич - сторонники перехода на напрерывные процессы, наиболее эффективные в микробиологической промышленности.

Организация производства антибиотиков

Коренные изменения в технологическом и аппаратурном оформлении процессов связаны с одним из важнейших достижений биологии XX в. - организацией производства антибиотиков (начало 40х годов).

Бактерицидные свойства растений и плесневых грибов издревле использовали в практической деятельности людей. С начала века во всем мире проводили исследования по получению антибиотических веществ. Большой вклад в развитие науки об антибиотиках внесли отечественные ученые (И.И. Мечников, Г.Ф. Гаузе, Н.А. Красильников, Я.П. Худяков, В.Н. Шапошников, А.А. Имшенецкий, 3.В. Ермольева и многие другие).

Этапным открытием было получение пенициллина. В 1929 г. английский ученый А.Флеминг выделил культуру зеленой плесени Penicilium notatum, обладающую антимикробным действием. В 1940 г. австралийский доктор Г.У. Флори и сын эмигранта из России, беженец из Германии Э. Чейн, работая в Англии, получили из этой плесени небольшое количество препарата - пенициллина, клинические испытания которого дали потрясающий эффект. Однако при существовавших к тому времени технологии и оборудовании микробиологических производств невозможно было производить препарат в больших количествах. Для интенсификации процесса необходимо было получить более активные продуценты антибиотика, разработать принципиально новое ферментационное оборудование и технологию для проведения процесса выращивания продуцента глубинным способом в асептических условиях при интенсивной аэрации. Кроме того, возникла необходимость разработки методов выделения, очистки и сушки такого нестойкого продукта, как антибиотики, содержащегося в растворе в небольшой концентрации (до 1%).

Во время второй мировой войны резко возросла необходимость в доступных, эффективных средствах для борьбы с инфекцией ран, и исследования по разработке научных основ промышленного производства пенициллина приобрели очень большое значение. В Англии трудности военного времени и отсутствие инженерного коллектива в Оксфордском университете, где работали Г.У. Флори и Э. Чейн, не позволили разработать технологию промышленного получения пенициллина. Исследования были продолжены в Америке, где над этой проблемой вначале работали две фирмы, а потом к ним присоединились еще семнадцать. Разработка технологии получения пенициллина осуществлялась темпами, немыслимыми в мирное время; Дж. Бернал сравнивает их с уровнем работ над изобретением атомной бомбы. В течение года была разработана технология глубинного культивирования продуцентов в асептических условиях и технология выделения препарата в кристаллической форме, и было организовано производство пенициллина. Практичный Чейн настаивал на патентовании полученных результатов, но романтик Флори счел неэтичным получать патент на исследования, имеющие такое большое гуманитарное значение. В результате патент получили американские фирмы. В 1945г. Г. Флори и Э. Чейну была присуждена Нобелевская премия.

Большая работа по становлению антибиотической промышленности была проделана в СССР. В 1942 г. был получен советский пенициллин (3.В. Ермольева) и выделен продуцент грамицидина С (Г.Ф. Гаузе и М.Г. Бражникова), промышленное производство которого было вскоре налажено.

Получение антибиотиков произвело подлинную революцию в лечении инфекционных болезней. Военное значение пенициллина, спасавшего жизнь безнадежных раненых, трудно переценить, поскольку в условиях Второй мировой войны солдаты и офицеры были одним из ценнейших невосполнимых ресурсов, и по мнению многих экспертов человеческие потери в немецкой армии в 1943-1944 годах были одной из причин поражения Германии. Вклад пенициллина в победу союзников отмечали многие участники войны. биотехнология микробиологический

В годы второй мировой войны, когда начало осуществляться производство антибиотиков в промышленных условиях, цена препаратов не была определяющим фактором. Применялась эмпирически подобранная технология, в производстве нередко происходили срывы, производительность была сравнительно невелика. После войны важное значение приобрели экономические аспекты производства антибиотиков. Разработка научных основ технологического и аппаратного оформления процесса при организации рентабельных, стабильных производств антибиотиков и других сложных продуктов, основанных на использовании биосинтетической деятельности микроорганизмов явилась толчком к коренному техническому и технологическому перевооружению микробиологической промышленности.

Список литературы

1. «Биотехнология и социум», Попова Т.Е., 1996г., Москва

2. «Биотехнология», Лившиц В.А.,1988г., Москва, Высшая школа

3. «Биотехнология», Бутенко Р.Г., 1987г., Москва

Размещено на Allbest.ru