Биотехнология как наука и сфера производства

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Понятие о биотехнологии, цели и задачи

В последние десятилетия мы стали свидетелями своеобразного бума, связанного с рождением и становлением современной биотехнологии. Речь идет о создании мобильной, высокоэффективной, компактной отрасли производства, базирующейся на самых последних достижениях биологической науки, прежде всего на методах генетической и клеточной инженерии.

Термином биотехнология обозначают преимущественно новые, промышленно важные пути биотрансформации различных веществ и живых организмов.

Биотехнология в переводе означает производство с помощью живых существ или технология живого.

Биотехнология - это наука о применении биологических процессов и систем в производстве.

Биотехнология - это направление научно-технического прогресса, использующее биологические процессы и агенты для целенаправленного воздействия на природу, а также в интересах промышленного получения полезных для человека продуктов, в частности лекарственных средств.

Биотехнология - это объединение биохимической, микробиологической и инженерной наук с целью технологического использования микроорганизмов, культур клеток и тканей, а также составных частей клеток.

Таким образом, биотехнология представляет собой область знаний, которая возникла и оформилась на стыке микробиологии, молекулярной биологии, генетической инженерии, химической технологии и ряда других наук. Рождение биотехнологии обусловлено потребностями общества в новых, более дешевых продуктах для народного хозяйства, в том числе медицины и ветеринарии, а также принципиально новых технологиях.

Биотехнология (от греч. вios - жизнь, teken - искусство, мастерство, logos - наука, умение, мастерство) - это получение продуктов из биологических объектов или с применением биологических объектов.

В качестве биологических объектов могут быть использованы организмы животных и человека (например, получение иммуноглобулинов из сывороток вакцинированных лошадей или людей; получение препаратов крови доноров), отдельные органы (получение гормона инсулина из поджелудочных желез крупного рогатого скота и свиней) или культуры тканей (получение лекарственных препаратов).

Однако в качестве биологических объектов чаще всего используют одноклеточные микроорганизмы, а также животные и растительные клетки. Выбор этих объектов обусловлен следующими причинами:

Клетки являются своего рода «биофабриками», вырабатывающими в процессе своей жизнедеятельности разнообразные ценные продукты (белки, жиры, углеводы, витамины, аминокислоты, антибиотики, гормоны, антитела, антигены, ферменты, спирты и др.). Эти продукты крайне необходимы в жизни человека, и пока недоступны для получения «небиотехнологическими» способами из-за сложности технологии процессов или экономической нецелесообразности, особенно в условиях крупномасштабного промышленного производства;

Клетки чрезвычайно быстро воспроизводятся, что позволяет за относительно короткое время искусственно нарастить на сравнительно дешевых и недефицитных питательных средах в промышленных масштабах огромные количества биомассы микробных, животных или растительных клеток;

Биосинтез сложных веществ (белков, антибиотиков, антигенов, антител и др.) значительно экономичнее и технологически доступнее, чем химический синтез. Коэффициент полезного действия «работы» клетки равен 70%, а самого совершенного технологического процесса - значительно ниже;

Возможность проведения биотехнологического процесса в промышленных масштабах, т.е. наличие соответствующего технологического оборудования и аппаратуры, доступность сырья, технологии переработки и др.

Клетки животных и растений, микробные клетки в процессе жизнедеятельности (ассимиляции и диссимиляции) образуют новые продукты и выделяют метаболиты, обладающие разнообразными физико-химическими свойствами и биологическим действием. Обычно продукты жизнедеятельности одноклеточных организмов делят на 4 категории:

сами клетки как источник целевого продукта. Например, выращенные бактерии или вирусы используют для получения живой или убитой корпускулярной вакцины; дрожжи - как кормовой белок или основу для получения гидролизатов питательных сред и т.д.;

макромолекулы, которые синтезируются клетками в процессе выращивания: ферменты, токсины, антигены, антитела, пептидогликаны и др.;

первичные метаболиты - низкомолекулярные вещества, необходимые для роста клеток (аминокислоты, витамины, нуклеотиды, органические кислоты);

вторичные метаболиты (идиолиты) - низкомолекулярные соединения, не требующиеся для роста клеток (антибиотики, алкалоиды, токсины, гормоны).

Задачи, стоящие перед биотехнологией.

Поддержание и активизация путей обмена клеток, ведущих к накоплению целевых продуктов при заметном подавлении других реакций обмена у культивируемого организма.

Получение клеток и их составных частей для направленного изменения сложных молекул.

Углубление и совершенствование генетической инженерии, включающей рДНК-биотехнологию и клеточную инженерию, с целью получения особо ценных результатов в фундаментальных и прикладных разработках.

Создание безотходных и экологически безопасных биотехнологических процессов.

Совершенствование и оптимизация аппаратурного оснащения биотехнологических процессов с целью достижения максимальных выходов конечных продуктов при культивировании лекарственных видов с измененной наследственностью, полученными методами клеточной и генной инженерии.

Повышение технико-экономических показателей биотехнологических процессов по сравнению с существующими параметрами.

Человек использовал биотехнологию на протяжении многих тысяч лет: люди занимались пивоварением, пекли хлеб, придумали способы хранения и переработки продуктов путем ферментации (производство сыра, уксуса, соевого соуса), научились делать мыло из жиров, изготавливать простейшие лекарства и перерабатывать отходы. Однако только разработка методов генетической инженерии, основанных на создании рекомбинантных ДНК, привели к тому «биотехнологическому буму», свидетелями которого мы сейчас и являемся.

Биотехнология как самостоятельная прикладная наука сформировалась в середине 50-х годов XX века, когда человечество осознало необходимость первоочередного решения на принципиально новых основах главнейших проблем современности - продовольственной, энергетической, ресурсной, загрязнения окружающей среды и др. Биотехнологические процессы базируются на использовании биосинтетического потенциала микроорганизмов, растительных и животных клеток, тканей и органов, культивируемых на искусственных питательных средах. В настоящее время во многих странах мира развитию биотехнологии придается первостепенное значение в силу ряда существенных преимуществ перед другими видами технологий: биотехнологические процессы обладают низкой энергоемкостью, почти безотходны, экологически чистые. Эти технологии предусматривают использование стандартного оборудования и реактивов, а также возможность проведения исследований круглый год, независимо от климатических условий, занимая при этом незначительные площади. Кроме того, биотехнологические процессы высокопроизводительны, для них характерен высокий уровень автоматизации и механизации. Данные процессы осуществляются при относительно низких температурах и атмосферном давлении.

2. Этапы становления биотехнологии

Видимо правомерно отнести, возникновение современной биотехнологии, начавшей свое формирование на базе существующих отраслей микробиологической промышленности, к началу 50-х годов нынешнего века, а весь предшествующий данному периоду этап, назвать предысторией формирования биотехнологии, восходящей к древним цивилизациям. В этой связи третий съезд Европейской ассоциации биотехнологов в Мюнхене (1984 г.) доброжелательно воспринял предложение голландца Е. Хаувинка о выделении 5 периодов (эр) в развитии биотехнологии:

Допастеровский: до 1865 г. (до открытия Пастером микромира в 1865 г.) - хлебопечение, молочнокислое брожение, получение уксуса, сыра, открытие спирта.

Послепастеровский: 1866-1940 гг. - связан с получением бутанола, ацетона, анатоксинов, вакцин, сывороток и других продуктов с помощью биосинтетической способности микроорганизмов.

Антибиотиков: 1941-1960 гг. - открытие антибиотиков; открытие строения ДНК (1953 г.).

Управляемого биосинтеза: 1961-1975 гг.: в 1961 г. впервые была установлена способность микроорганизмов к сверхсинтезу определенных веществ (аминокислот, витаминов и т.п.).

Новой биотехнологии: после 1975 г. - базируется на современных достижениях генетической и клеточной инженерии.

Кроме того, возникновение, становление и развитие биотехнологии условно можно подразделить на 4 периода:

Эмперический или доисторический период - самый длительный период, охватывающий примерно 8000 лет. Древние люди интуитивно использовали приемы и способы изготовления пива, хлеба и др. продуктов. В течение нескольких тысячелетий известен уксус, издревле приготавливавшийся в домашних условиях, первая дистилляция вина осуществлена в ХII в., и т.п. К этому же периоду относятся получение кисломолочных продуктов, квашенной капусты, и др.

Таким образом, народы исстари использовали на практике микробиологические процессы, ничего не зная о микробах. Эмпиризм в этот период также был свойственен и в практике использования полезных растений и животных.

Этиологический период в развитии биотехнологии охватывает вторую половину XIX в. и первую треть ХХ в. (1856-1933 гг.). Он связан с выдающимися исследованиями Луи Пастера (1822-1895 гг.) - основоположника научной микробиологии; вскрывшего микробную природу брожения, доказавшего возможность жизни в бескислородных условиях, опровергшего представления о самопроизвольном зарождении живых существ, создавшего научные основы вакцинопрофилактики и вакцинотерапии, предложившего новый метод стерилизации (пастеризацию).

Этиологический период знаменателен тем, что удалось доказать индивидуальную природу микробов и выделить их в виде чистых культур. Более того, каждый вид мог быть размножен на питательных средах и использован в целях воспроизведения соответствующих процессов (бродильных, окислительных и др.). В этот период было начато изготовление пищевых прессованных дрожжей, некоторых продуктов обмена, ацетона, бутанола, лимонной и молочной кислот. Во Франции приступили к созданию биоустановок для микробиологической очистки сточных вод.

Биотехнический период начался в 1933 г. с публикации работы А. Клюйвера и Л.Х.Ц. Перкина «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. С этого момента началось внедрение в биотехнологию крупномасштабного герметизированного оборудования, обеспечивающего проведение процессов в стерильных условиях.

Примерно за 40 лет третьего периода были решены основные задачи по конструированию, созданию и внедрению в практику необходимого оборудования, в том числе главного из них - биореактора.

Генотехнический период начался с 1972 г.: П. Берг с сотрудниками создали первую рекомбинантную молекулу ДНК.

Таким образом, 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 и заключается сущность генотехнического периода.

Уже в 1982 г. поступил в продажу человеческий инсулин, выработанный кишечными палочками, несущими в себе искусственно встроенную генетическую информацию о данном гормоне. В настоящее время разрабатываются или уже выпускаются следующие генно-инженерные препараты: интерфероны, интерлейкины, соматотропин. Проводится много работ на стыке генетической инженерии и гибридомной технологии, так производство моноклональных антител, привело к революционным изменениям, в первую очередь, в области диагностики многих инфекционных и неинфекционных заболеваний.

3. Объекты биотехнологии

В природе существует огромное число микроорганизмов, которые способны синтезировать продукты или осуществлять реакции, которые могут быть полезны для биотехнологии. Однако практическое применение нашли не более 100 видов микроорганизмов (бактерии, грибы, дрожжи, вирусы, водоросли).

Дрожжи широко используют в хлебопечении, пивоварении, виноделии, получении соков, кормового белка, питательных сред для выращивания бактерий и культур животных клеток. Из 500 известных видов дрожжей используется только несколько видов - Saccharomyces cerevisiae, Saccharamyces carlsbergencis, Saccharomyces uwarum.

Среди бактерий чаще всего применяют в биотехнологии представителей следующих родов: Acetobacter, которые превращают этанол в уксусную кислоту и уксусную кислоту в углекислый газ и воду; Bacillus - для получения ферментов (B. subtilis), средств защиты растений (В. thuringiensis); Clostridium - для сбраживания сахаров в ацетон, этанол, бутанол; псевдомонады - например, P. Denitrificans - для получения витамина В₁₂, Corynebacterium glutamatum - для получения аминокислот и др.

Для получения разнообразных антибиотиков в биотехнологии применяют актиномицеты (род Streptomyces), грибы рода Penicillium и др.

Многие микроорганизмы - бактерии, дрожжи, вирусы - используются в качестве реципиентов чужеродного генетического материала с целью получения рекомбинантных штаммов-продуцентов биотехнологической продукции. Получены рекомбинантные штаммы E. coli, продуцирующие интерфероны, инсулин, гормон роста, антигены вируса СПИДа; штаммы B. subtilis, вырабатывающие интерферон; штаммы дрожжей, продуцирующие интерлейкин-2, антиген вируса гепатита В; рекомбинантные вирусы осповакцины, синтезирующие антигены гепатита В, вируса бешенства, клещевого энцефалита и др.

Для получения вакцин и диагностических препаратов используют также патогенные микроорганизмы (брюшного тифа, коклюша, дифтерии, столбняка и др.).

Широкое применение в биотехнологии нашли культуры животных и растительных клеток. Известно, что строение, физиология и биотехнология животных и растительных клеток более сложные, чем у бактериальных клеток. Из культур животных и растительных клеток можно извлечь более широкий ассортимент продуктов сложной, цепной реакции, но процесс культивирования растительных и животных клеток более трудоемкий и дорогостоящий. Из культур тканей растений можно получать разнообразные соединения, используемые в медицине (алкалоиды, противовоспалительные вещества, противолейкозные и противоопухолевые, противобактериальные, сердечные и почечные средства, ферменты, витамины, опиаты и др.), сельском хозяйстве, химической и других отраслях промышленности. Животные клетки используют как для получения продукции, так и для выращивания в клетках вирусов с целью получения из них вакцин и диагностических препаратов.

Таким образом, в современном биотехнологическом производстве используют весьма широкий ассортимент биообъектов, классификация которых весьма сложна и наиболее рационально может быть выполнена на основе принципа их соразмерности. В таблице приведены биологические объекты, объединенные в 5 групп, причем, соразмерность в первых четырех имеет кратность в три порядка и только в пятой группе собраны биообъекты, отличающиеся по размерам от предшествующей (четвертой) группы всего на один порядок.

Биообъекты, используемые при биотехнологических способах производства лекарственных (диагностических, лечебных и профилактических) средств:

1.	Размер от 10 м до 1 см: человек, животные, растения-бионакопители сапонинов, алкалоидов и т.п.
2.	Размер от 1 см до 1 мм: гигантские водоросли, каллусные культуры меристемы, культуры тканей, культуры клеток.
3.	Размер от 1 мм до 1 мкм: клетки эукариот и прокариот в культуре, биопродуценты и биотрансформаторы.
4.	Размер от 1 мкм до 1 нм: бактериофаги, вирусы, липосомы.
5.	Размер менее 1 нм: ДНК, ферменты, макромолекулы-носители.

Требования, предъявляемые к биообъектам для реализации биотехнологических процессов: чистота, высокая скорость размножения клеток и репродукции вирусных частиц, активность и стабильность биомолекул или биосистем.

Основные термины и понятия биотехнологии:

Нуклеиновые кислоты - высокомолекулярные сложные органические соединения, состоящие из серии компонентов более простого строения, названных нуклеотидами.

Нуклеотид - это комплекс, включающий одно из азотистых оснований, углевод (рибозу или дезоксирибозу) и остаток фосфорной кислоты.

ДНК (дезоксирибонуклеиновые кислоты) - нуклеиновые кислоты, содержащие в качестве углеводного компонента дезоксирибозу, а в качестве азотистых оснований - аденин, гуанин, цитозин, тимин. ДНК присутствуют в клетках любого организма, входят в состав многих вирусов. Первичная структура молекулы ДНК строго индивидуальна и специфична, представляет собой кодовую форму записи биологической информации, т.е. генетический код.

РНК (рибонуклеиновые кислоты) - нуклеиновые кислоты, содержащие в качестве углеводного компонента рибозу, а в качестве азотистых оснований - аденин, гуанин, цитозин, урацил. РНК присутствуют в клетках любого живого организма, входят в состав многих вирусов; участвуют в реализации генетической информации.

Ген - наследственный фактор, функционально неделимая информация генетического материала; участок молекулы ДНК, кодирующий первичную структуру полипептида, молекулы транспортной и рибосомальной РНК или взаимодействующий с регуляторным белком.

Генотип - совокупность генов данной клетки или организма.

Геном - совокупность генов, характерных для гаплоидного набора хромосом данного вида организмов; основной гаплоидный набор хромосом.

Вектор - любая плазмида или фаг, в которые может быть встроена чужеродная молекула ДНК с целью клонирования.

Плазмида - кольцевая внехромосомная ДНК, способная к автономной репликации.

Репликация - самоудвоение молекулы ДНК путем образования её копии при помощи набора ферментов (ДНК-полимераз, лигаз и т.п.).

Гибридизация - процесс образования или получения гибридов, в основе которого лежит объединение генетического материала разных клеток в одной клетке.

Клон - совокупность клеток или особей, произошедших от общего предка путем бесполого размножения.

Штамм - чистая культура микроорганизма, выделенного из определенного источника или полученного в результате мутаций.

Эукариоты - организмы, состоящие из клеток, в которых обязательно содержится особый органоид - ядро.

4. Связь биотехнологии с другими науками

Как уже отмечалось выше, биотехнология возникла на стыке многих наук. Для данной науки свойственна трансдисциплинарность. Фундамент биотехнологии составили такие науки, как микробиология, вирусология, физиология, биохимия, генетика, селекция, цитология, молекулярная биология, генетическая инженерия, клеточная инженерия, энзимология, иммунология, биофизика, экология, медицина, сельскохозяйственные науки, химия, физика, математика, кибернетика и др.

Можно выделить, по крайней мере, четыре направления, определивших развитие биотехнологии. Прежде всего, это наиболее «старая» область - микробиология.

Микробиология - наука о микроорганизмах. Микроорганизмы - это мельчайшие организмы, различимые только под микроскопом. Основные преимущества промышленного культивирования микроорганизмов: простота их организации, высокая скорость роста и размножения, большое разнообразие физиологических и биохимических свойств, способность развиваться в условиях непригодных для жизни других организмов, способность разлагать сложные органические соединения (белки, углеводы, в том числе целлюлозу и т.п.), вещества, токсичные для человека и животных (например, метанол, сероводород и т.п.), ксенобиотики (вещества неприродного происхождения).

На настоящем этапе именно микробиологические процессы в наибольшей степени развиты до уровня промышленного использования. Это, прежде всего, крупнотоннажное производство микробной биомассы, антибиотиков и других лекарственных веществ, аминокислот.

Второе направление биотехнологии - инженерная энзимология. Инженерная энзимология - это отрасль биотехнологии, базирующаяся на использовании каталитических функций ферментов (или ферментных систем) в изолированном состоянии или в составе живых клеток для получения соответствующих целевых продуктов. Биообъект (в данном случае) - фермент (или комплекс ферментов). На практике обычно используются иммобилизованные ферменты (иммобилизованные клетки), благодаря чему стабилизируется и пролонгируется их ферментативная активность.

Иногда инженерную энзимологию отождествляют с биотехнологией. В этом содержится большая доля истины, так как все реакции в клетках катализируются ферментами. Однако термин «инженерная» привносит свою специфику, заключающуюся в акценте на создание конструкции, в данном случае - на конструирование биокатализаторов с заданными свойствами с последующим их использованием в биотехнологическом процессе.

Два других направления биотехнологии - генная инженерия и клеточная инженерия - самые молодые, но очень перспективные области биотехнологии.

Первое состоит в искусственном конструировании молекул ДНК, несущих всю генетическую информацию о данном организме, т.е. заключающих в себе всю программу его роста и развития. Таким образом, можно направленно влиять на наследственность и получать новые виды с необходимыми свойствами.

Генетическая инженерия - один из важнейших методов биотехнологии, предполагающий целенаправленное искусственное создание определенных комбинаций генетического материала, способных нормально функционировать в клетке, т.е. размножаться и контролировать синтез конечных продуктов.

Таким образом, генетическая инженерия включает выделение из клеток отдельных генов или синтез генов вне клеток, направленную перестройку, копирование и размножение выделенных или синтезированных генов, а также их перенос и включение в подлежащий изменению геном и таким путем можно добиться включения в клетки бактерий «чужых» генов и синтеза бактериями важных для человека соединений.

Развитие генетической инженерии стало возможным благодаря открытию двух ферментов: рестриктаз, разрезающих молекулу ДНК в строго определенных участках и лигаз, сшивающих определенные участки различных молекул ДНК друг с другом. Кроме того, в основе генетической инженерии лежит открытие векторов, которые представляют собой короткие, самостоятельно размножающиеся в клетках бактерий кольцевые молекулы ДНК. С помощью рестриктаз и лигаз в векторы встраивают необходимый ген, добиваясь в последствии его включения в геном клетки-хозяина.

Различают следующие виды генетической инженерии:

1. Генная инженерия: её сущность состоит в целенаправленном использовании перестроек естественного генома, осуществляемых in vivo и in vitro, для изменения генетических характеристик известных вирусов и клеток, прямое манипулирование рДНК, включающими отдельные гены.

2. Геномная инженерия: её сущность заключается в целенаправленной глубокой перестройке генома акариот, прокариот и эукариот, вплоть до создания новых видов, т.е. перенос всего или большей части генетического материала от одной клетки к другой. При геномной инженерии возможно получение половых (слиянием гамет) и соматических (слиянием неполовых клеток) гибридов.

3. Хромосомная инженерия связана с переносом изолированных хромосом от клетки-донора одного организма в клетку-реципиент другого организма.

В основе клеточной инженерии лежит культивирование клеток и тканей высших организмов - растений и животных.

Клеточная инженерия - это метод конструирования клеток нового типа на основе их культивирования, гибридизации и реконструкции, базирующийся на использовании методов культуры клеток и тканей. Выделяют два направления развития клеточной инженерии:

1. использование клеток, переведенных в культуру, для синтеза различных соединений;

2. применение культивируемых клеток для получения из них растений-регенератов.

Растительные клетки в культуре - это важный источник ценнейших природных веществ, т.к. они сохраняют способность синтезировать свойственные им соединения: алкалоиды, эфирные масла, смолы, биологически активные вещества и т.п. Например, клетки женьшеня, переведенные в культуру, продолжают синтезировать, как и в составе целостного растения, ценное лекарственное сырье. Причем в культуре с клетками легче проводить любые манипуляции, используя индуцированный мутагенез, можно повышать продуктивность штаммов культивируемых клеток и проводить их гибридизацию гораздо проще, чем на уровне целостного организма. Кроме того, с ними, как и с прокариотическими клетками, можно проводить генно-инженерные работы.

Таким образом, клеточная инженерия позволяет конструировать клетки нового типа, комбинировать отдельные фрагменты клеток (ядра, митохондрии, пластиды, цитоплазму и хромосомы и т.п.), соединять клетки различных видов, относящиеся не только к разным родам, семействам, но и царствам.

Клеточная инженерия широко используется в селекции растений. Выделены гибриды томата и картофеля, яблони и вишни. Регенерированные из таких клеток растения с измененной наследственностью позволяют синтезировать новые формы, сорта, обладающие новыми свойствами и устойчивые к неблагоприятным условиям среды и болезням. Этот метод широко используется и для «спасения» ценных сортов, пораженных вирусными болезнями.

5. Виды биотехнологий

К медицинской биотехнологии относят такие производственные процессы, которые завершаются созданием с помощью биообъектов средств или веществ медицинского назначения. Это антибиотики, витамины, ферменты, отдельные микробные полисахариды, которые могут применяться как самостоятельные средства или как вспомогательные вещества при создании различных лекарственных форм, аминокислоты и др.

Иммунобиотехнология объединяет производство вакцин, иммуноглобулинов крови, иммуномодуляторов, моноклональных антител и др. На основе иммунобиотехнологических процессов создаются также профилактические и лечебные средства, объединенные под эгидой медицинской биотехнологии. Вместе с тем, иммунобиотехнологические процессы по целевым продуктам вышли за пределы медицинского назначения, например, большинство ферментов, аминокислот и др. производятся не только для целей здравоохранения. Поэтому вычленение иммунобиотехнологии в качестве самостоятельной научной субдисциплины является обоснованным, и производственные процессы здесь четко ограничены использованием иммунной системы того или иного микроорганизма или её отдельных компонентов (макрофаги, лимфоциты, различные иммуноглобулины).

Достижения приведенных выше направлений биотехнологии, медицинской биотехнологии и иммуннобиотехнологии, позволяют говорить о биотехнологии лекарственных средств. Действительно, если взять за основу анализа номенклатуру лекарственных средств Межведомственного экспертного совета (1990 г.), включающую 33 фармакотерапевтических группы препаратов, то, как минимум треть из них производится с использованием современных методов биотехнологии. В дальнейшем это направление исследований и разработок будет иметь тенденцию к неуклонному росту.

В ряде случаев только биотехнология позволяет решать те задачи, которые ставит перед фармацией практическая медицина. К примеру, только биотехнология открывает перед фармацевтической промышленностью возможность производить антибиотики, ряд незаменимых аминокислот, некоторые витамины, ферменты, гормоны, большую часть кровезаменителей и др.

В других случаях биотехнология используется как этап производства лекарственного средства. Обычно в таких ситуациях биотехнологическая стадия начинает технологический процесс (например, получение необходимой биомассы путем культивирования клеток меристемы лекарственных растений) как это имеет место при производстве диосгенина, аймалина и др.

Известны такие производства, в которых биотехнологический этап выступает в качестве промежуточного (перевод сорбита в сорбозу при получении витамина С в среде культивирования уксуснокислых бактерий).

При использовании биотехнологий в фармации их реализуют выращиванием культур тканей высших растений в виде каллуса, суспензионным культивированием клеток животных и растений, культивированием химерных клеток, в геном которых встроены опероны, ответственные за биосинтез лекарственной субстанции. Кроме того, биотехнологии могут успешно конкурировать с тонкими химическими технологиями на отдельных этапах изготовления лекарственного средства, а в ряде случаев (например, синтез витамина В₁₂) в состоянии обеспечить всю последовательность сложных химических реакций, необходимых для превращения исходного предшественника (5,6 - диметилбензимидазола) в конечный продукт (цианкобаламин).

Микроорганизмы, обитающие в недрах Земли, широко используются в биогеотехнологии - при добыче, превращении и переработке природных ископаемых, нефти и газа. Биогеотехнология получения металлов эксплуатирует способности отдельных микроорганизмов переводить металлы в растворимые соединения (выщелачивание металлов из руд). Рассмотрим некоторые примеры практического применения биогеотехнологии:

Сульфиды металлов окисляются микроорганизмами и переходят в раствор, из которых их извлекают обычными методами. Микробы очень избирательны по отношению к металлам, и это используют на практике. Например, никаким механическим путем нельзя разделить сульфиды цинка и меди в медно-цинковых концентратах. В настоящее время после пирометаллургической обработки остается сплав, для извлечения из него компонентов применяют дорогостоящую технологию. Бактерии же сначала окисляют цинк, переводя его в раствор, а затем принимаются за окисление меди. Если остановить процесс на стадии, когда цинк уже в растворе, а медь еще в твердом концентрате, то останется разделить твердую и жидкую фазы и выплавить из первой медь.

Как известно, золото расплавляется в царской водке. В незначительных количествах золото присутствует во многих полезных ископаемых, но добыть его трудно. Методы биотехнологии позволяют решить и эту проблему.

Промышленное использование бедных руд с помощью биотехнологии основано на том, что в массив полезного ископаемого через специальные скважины нагнетается биологически активный раствор, а после того как он насытится, вобрав в себя полезный компонент, его откачивают через другую систему скважин.

Методы биогеотехнологии также широко используют для повышения нефтеотдачи нефтяных пластов, для окисления метана в угольных шахтах и пр.

Биоэнерготехнология включает биотехнологические процессы, связанные с получением источников энергии - углеводов и биогаза. Биогаз, образующийся в процессе метанового брожения биомассы (навоз, солома, водоросли и т.п.) представляет собой смесь, главные компоненты которой метан (65%), углекислый газ (30%) и сероводород (1%). Другим энергоносителем является этанол, используемый в последнее время в двигателях внутреннего сгорания. Для его производства наиболее пригодны злаки (особенно кукуруза), картофель, сахарная свекла, используемые для сбраживания с помощью дрожжей.

Топливом будущего считают водород. Сейчас предложено несколько вариантов биотехнологических систем для производства водорода, включающих хемотрофные бактерии, цианобактерии, некоторые водоросли и простейшие, которые продуцируют водород. Однако пока ни одна из них неприемлема для практических целей.

Биоэнерготехнологии предстоит ответить на вопросы, связанные с созданием биотопливных элементов, способных превращать химическую энергию субстратов в другие виды энергии, главным образом в электрическую.

Экологическая биотехнология связана с использованием биологических методов борьбы с загрязнением окружающей среды (биологическая очистка сточных вод, загрязненного воздуха, твердых отходов). Наиболее развитым направлением экологической биотехнологии в настоящее время является биологическая очистка сточных вод, как промышленных, так и бытовых.

Биологическая очистка вод - метод очистки бытовых и промышленных сточных вод, основанный на способности организмов (главным образом, бактерий) к разрушению (минерализации) загрязнений органического происхождения. Различают 2 вида биологической очистки: аэробная и анаэробная.

Космическая биотехнология делает первые шаги в космосе, осваивая специфические неземные условия. Очевидно, что космос создает для биотехнологических процессов не только большие трудности, но и большие преимущества. Они обусловлены, главным образом, невесомостью, существенно изменяющей течение физико-химических процессов, на которых основаны многие биотехнологии.

Невесомость создает особые условия, важные для осуществления биотехнологических процессов:

Редуцирует конвекции, вызванные плавучестью, и исключает седиментацию (осаждение под действием гравитационных сил);

Делает силы поверхностного натяжения выше гравитационных сил;

Обеспечивает протекание процессов вне емкостей.

В земных условиях температурные различия между жидкостями после их смешивания быстро выравниваются в результате конвекционных перемещений, вызванных различными плотностями теплых и холодных слоев жидкости. В условиях невесомости этого не происходит, что крайне важно для процессов разделения систем - сохраняется гетерогенность фаз, что качественно улучшает разрешающую способность методов разделения, повышает выход и чистоту получаемых продуктов.

Кроме того, невесомость способствует созданию благоприятных условий для процессов кристаллизации белков - важного для многих биотехнологий процесса получения высококачественных белковых продуктов.

Другая из вышеупомянутых особенностей космических условий состоит в отсутствии стенок сосудов, что важно, поскольку исключаются возмущающие нормальное течение процесса пристеночные явления, меняющие физико-химические свойства жидкости и оказывающие воздействие на поведение находящихся в ней компонентов. К тому же и сами стенки, какими бы они не были нейтральными, являются источниками загрязнений и дополнительных электрических, химических сил, могут избирательно сорбировать вещества.

Условия невесомости более благоприятны также для такого процесса, как инкапсулирование клеток в полупроницаемые мембраны, например, клетки поджелудочной железы животных, которые затем можно имплантировать в тело больных сахарным диабетом, где они могут продуцировать инсулин. Инкапсулированные клетки печени можно использовать для создания искусственных органов с целью очистки крови.

биотехнология клетка физиология животное

Природа и многообразие биотехнологических процессов

1. Классификация по уровню организации биотехнологических процессов:

макроуровень (уровень аппаратурного оформления биотехнологического процесса);

микроуровень (уровень, соответствующий применяемому в технологическом процессе биообъекту).

2. Классификация по применяемому объекту:

2.1. По типу применяемого биообъекта:

одноклеточные (монокультуры и ассоциации);

культуры клеток и тканей;

органеллы клеток;

ферменты.

2.2. По степени усовершенствования применяемого биообъекта:

стихийно возникающие биоценозы микроорганизмов;

чистые культуры;

мутанты;

иммобилизованные ферменты и клетки;

- клеточные культуры многоклеточных организмов, генно-инженерные штаммы.

3. Классификация по типу преобладающего процесса:

деструкция;

биосинтез;

трансформация.

3. Классификация биотехнологических процессов в зависимости от масштаба:

крупномасштабные;

среднемасштабные;

мелкомасштабные.

4. Классификация биотехнологических процессов по применяемой технологии:

периодические и непрерывные;

поверхностные и глубинные;

аэробные и анаэробные.

Классификация биотехнологических процессов по истории возникновения и сложности:

процессы переработки продуктов питания - хлебопечение, приготовление напитков;

бродильные производства, с помощью которых получают многие органические кислоты, растворители, органическое сырье (производство в не стерильных условиях);

биотехнологические процессы с использованием специального оборудования - для очистки сточных вод, обезвреживания отходов производства, т.е. данные процессы в основном находят применение в области экологии (нестерильные условия);

получение в промышленных условиях биологической массы для кормовых и технических целей: данные процессы требуют применения специального оборудования и реализуются в не стерильных условиях;

получение микробной биомассы в асептических условиях;

производство микробных метаболитов с целью получения антибиотиков, ферментов, органических кислот, полисахаридов и т.д. (стерильные условия процесса, требуется сложное оборудование для получения и очистки целевого продукта);

использование иммобилизованных ферментов или клеток;

биотрансформация органических веществ;

культивирование клеток многоклеточных организмов (клональное размножение и т.д.);

применение микробиологических процессов в нетрадиционных биологических областях - выщелачивание металлов, удаление метана из шахт, обогащение руд, повышение нефтеотдачи пластов.

7. Перспективы развития биотехнологии

Поясним возможности биотехнологии на ряде отдельных примеров.

Изучение медикаментов является предметом многих дисциплин, среди которых основная роль принадлежит химии и фармакологии. Роль биотехнологии еще примерно 20 лет назад была ограничена разработкой антибиотиков и вакцин. Благодаря разработке технологии рекомбинантной ДНК значимость биотехнологии для изучения медикаментов возросла. В конце 1993 г. в США были доступны уже более 20 новых медикаментов, разработанных с помощью биотехнологии, общая стоимость которых составляла примерно 8 млрд. долларов. Однако эта большая абсолютная цифра составляет лишь малый процент от общего оборота средств, получаемых от продажи медикаментов. Ожидается, что вклад биотехнологии в ближайшие годы возрастет еще сильнее. В настоящее время клиническое изучение проходят около 150 биотехнологических продуктов. Еще больше проектов находятся в стадии лабораторных разработок. Недавно проведенное изучение направлений работы больших американских фармацевтических компаний показало, что более 30% исследовательских проектов базируется на биотехнологии.

Большая ценность современной биотехнологии заключается, главным образом, в возможности идентифицировать специфическую генетическую информацию, клонировать и привести к экспрессии. Благодаря этому индивидуальные гены и продукты, которые эти гены кодируют, становятся доступными для исследования и использования. Иногда в качестве медикамента может быть использован сам генетический продукт. К первому поколению биотехнологических продуктов принадлежат «биопрепараты». Медико-биотехнологические исследования также позволили достичь лучшего понимания патогенеза и фармакологии. В связи с этим при разработке улучшенных и новых медикаментов очень важно изучение эндогенных медиаторов (таких, как гормоны, факторы роста, нейромедиаторы и т.д.), их рецепторов и клеточных реакций, которые эти медиаторы осуществляют.

Биопрепараты.

Первой важной разработкой явилось создание технологии, позволяющей идентифицировать, изолировать или синтезировать и привести к экспрессии в клетке хозяина гены, которые кодируют человеческие полипептидные гормоны. Первые «рекомбинантные биопрепараты», инсулин и гормон роста, являются относительно простыми белками, которые могут производится бактериями, например, Escherichia coli. Другие белки, такие как эпоэтин (эритропоэтин), человеческий хориогонадотропин (ЧХГ) и менопауза-гонадотропин (фолликулостимулирующий гормон - ФСГ), имеют гораздо более сложное строение. При продукции этих гормонов после синтеза белков (трансляции) следует еще несколько биохимических реакций, например, реакция присоединения углеводородных боковых цепей. Эти углеводороды обеспечивают биологическую активность белков. Так как бактерии не в состоянии осуществлять комплексные биохимические реакции, такие как гликозилирование, для подготовки рекомбинантных ДНК гликопротеинов должны использоваться клетки более высокоорганизованных организмов, например, клетки млекопитающих. В настоящее время разработано большое число «систем хозяев» (например, бактерии - дрожжи - клетки млекопитающих), благодаря чему возможна эффективная продукция большого числа разнообразных белков.

Некоторые медикаменты уже производятся с использованием биотехнологии. Инсулин (хумулин), соматотропин (химатроп), интерферон (роферон, интрон А, имукин, фрон), эпоэтин (апрекс, рекормон), и различные человеческие антитела уже применяются при лечении гормональных недостаточностей, тромбоза, воспалений и рака. Многие другие белки в настоящий момент проходят клинические испытания на терапевтическую ценность. Ожидается, что в ближайшие годы будет идентифицировано еще много новых белков. Некоторые из них, безусловно, окажутся ценными медикаментами.

Новым направление получения биопрепаратов является мутагенез - синтез биологически активных белков с измененным действием. Белки часто представляют собой большие молекулы, различные участки которых выполняют собственные функции, например, связывание с другими белками и ферментативная активность. Участки одних белков часто могут быть встроены в другие, благодаря чему возникает новый продукт, объединяющий в себе желательные качества нескольких различных белков. Этот подход используется в «инженерии антител», с его помощью осуществляются, например, «гуманизация» моноклональных антител, выделенных от мышей, и приготовление иммунотоксинов. Однако с использованием белков связаны не только большие ожидания, но и серьезные проблемы. При парентеральном применении белка быстро расщепляются протеазой в плазме и в печени. Оральное применение белков практически невозможно из-за расщепления в желудочно-кишечном тракте и отсутствия абсорбции. С терапевтическими целями белки, таким образом, должны применятся парентерально. Это приемлемо в острых случаях, когда существует угроза жизни. При хронических заболеваниях длительное парентеральное применение создает много неудобств для пациента. Проводится много исследований, направленных на поиск альтернативных фармацевтических лекарственных форм, таких как назальный спрей и имплантанты.

Другим способом решения проблемы является модификация белков и пептидов с тем, чтобы сделать возможным их оральное применение, причем изменяются физико-химические качества белка, а его физиологическая активность сохраняется. В общем модификация направлена на стабилизацию белка против протеолитического разложения и на улучшение транспорта через мембрану. Часто стараются применять лишь ту часть или те части белка, которые непосредственно взаимодействуют с «мишенью» в организме. Полученные таким образом биоактивные пептиды могут быть впоследствии использованы в качестве «ведущего состава» для синтеза орально активных и / или метаболически стабильных пептидов. Подобный подход был применен при разработке нейропептидов, производных кортикотропина (адренокортикотропный гормон - АКТГ).

Большое будущее принадлежит работам по расшифровке и пересадке генов азотфиксации. Известны микроорганизмы (клубеньковые бактерии), которые в симбиозе с некоторыми растениями способны усваивать атмосферный азот. Если ввести гены с таким «характером» в генетический аппарат других микроорганизмов и злаковых растений, то была бы снята проблема азотистых удобрений. Сейчас над этой проблемой трудятся коллективы многих институтов.

Современная наука позволяет культивировать на искусственных средах не только микроорганизмы, но и клетки растений и животных. Из одной растительной клетки в определенных условиях можно выращивать целое растение, а также получать биомассу, содержащую все компоненты взрослого растительного организма.

Таким образом, биотехнология, это, в сущности, не что иное, как использование культур клеток бактерий, дрожжей, животных или растений, метаболизм и биосинтетические возможности которых обеспечивают выработку специфических веществ.

Согласно определению Европейской биотехнологической федерации, созданной в 1978 г., биотехнология на основе применения знаний и методов биотехнологии, генетики и химической техники позволяет извлекать выгоду в технологических процессах из свойств микроорганизмов и клеточных культур. Она создает возможность получения с помощью легко доступных и возобновляемых ресурсов тех веществ и соединений, которые важны для жизни и благосостояния людей.

В промышленном масштабе подобная биотехнология представляет собой уже биоиндустрию. Последняя включает в себя, с одной стороны, отрасли, в которых биотехнологические методы могут с успехом заменить широко используемые в настоящее время традиционные методы, а с другой - отрасли, в которых биотехнология играет ведущую роль. Среди первых в области химической промышленности назовем синтез искусственных приправ, полимеров и сырья для текстильной промышленности, в области энергетики - получения метанола, этанола, биогаза и водорода, в области биометаллургии - извлечение некоторых металлов. Во второй группе отраслей биотехнологии охватывает производство продовольствия (широкомасштабное выращивание дрожжей, водорослей и бактерий для получения белков, аминокислот, витаминов, а также для использования их ферментов); увеличение продуктивности сельского хозяйства (клонирование и селекция сортов растений, исходя из тканевых и клеточных культур, производство биоинсектицидов); фармацевтическую промышленность (разработка вакцин, синтез гормонов, интерферонов и антибиотиков); защиту окружающей среды и уменьшение ее загрязнения (очистка сточных вод, переработка хозяйственных отходов, изготовление компоста, а также производство соединений, поддающихся расщеплению микроорганизмам).

Литература

1. Биотехнология в 8-ми томах/ Под ред. Егорова Н.С., Самуилова В.Д. - М.: Высш.шк. - 1988.

2. Биотехнология: принципы и применения/ Под ред. Хиггинса И., Беста Д., Джонса Дж. - М.: Мир. - 1988.

3. Елинов Н.П. Основы биотехнологии. СПб.: ИФ Наук. - 1995.

4. Сельскохозяйственная биотехнология: Учеб. / Под ред. В.С. Шевелухи. - М.: Высш. шк. - 1988. - 416 с.

5. Сассон А. Биотехнология: свершения и надежды/ Пер. с англ. Мехедова С.Л., Миркина С.М. - М.: Мир. - 1987. - 410 с.

6. Лозановская И.Н., Орлов Д.С., Садовникова Л.К. Экология и охрана биосферы при химическом загрязнении. - М.: Высш. шк. - 1998. - 287 с.

7. Словарь по биотехнологии / Симонян А.В., Покровская Ю.С. - Волгоград. - 2002.

Размещено на Allbest.ru