Этапы развития биотехнологии

Биотехнология как наука возникла на стыке биологических, химических и технологических наук.

Голландский ученый Е. Хаувинк (1984) историю биотехнологии условно разделил на пять периодов (эр).

1. Допастеровская эра (до 1865). В этот период биотехнология базировалась на процессах брожения: получении пива, вина, сыра, хлеба. Опыт получения ферментированных продуктов передавался человеком из поколения в поколение на протяжении тысячелетий, хотя о причинах брожения и о том, как оно осуществляется, ему еще ничего не было известно. Только в XIX в. французский ученый Луи Пастер указал на специфическое воздействие микроорганизмов на субстрат, что послужило основой для изучения физиологии микробов. Он доказал, что представители микромира отличаются не только внешним видом, но и особенностями обмена веществ.

2. Послепастеровская эра (1866-1940).Именно в этот период освоение новых биологических методов определило развитие биохимии, вирусологии, генетики, цитологии, биофизики и других наук. Налажено производство этанола, бутанола, ацетона, глицерола, органических кислот и вакцин. Освоено производство кормовых дрожжей из углеводородов с использованием микроорганизмов, разработана аэробная очистка канализационных вод.

В.С. Буткевич и С.П. Костычев выявили общие для дыхания и брожения стадии превращения глюкозы до пировиноградной кислоты. Доказали, что органические кислоты образуются в результате жизнедеятельности грибов, что позволило создать промышленное производство лимонной кислоты. С.А. Королев и А.Ф. Войткевич разработали теоретические основы сущности микробиологических процессов при выработке, хранении и созревании молочных продуктов, значительно расширив представление о физиологии молочнокислых бактерий. Благодаря исследованиям В.Н. Шапошникова появилась возможность промышленного производства молочной кислоты, органических растворителей.

3. Эра антибиотиков (1941-1960). Спустя 12 лет после открытия зеленой кистевидной плесени Penicillium notatum, продуцирующей антибиотик, Александр Флеминг - автор открытия писал: «Не стоит трудиться ради того, чтобы получить пенициллин». Однако с началом Второй мировой войны возникла острая потребность в этом препарате. Англичане X. Флори и Э. Чейн (Оксфордский университет) получили очищенный от примесей желтый порошок пенициллина и успешно испытали его на мышах, предварительно зараженных патогенными бактериями. Получение пенициллина (в 1945 г. его производство достигло уже 0,5 т) стало важным этапом в становлении современной биопромышленности, а главные лица (А. Флеминг, X. Флори и Э. Чейн), участвовавшие в его создании, получили в 1945 г.  Нобелевскую премию.

Вместе с тем, хотя биотехнологические процессы в основном связаны с микроорганизмами, уже в эти годы не менее существенную роль сыграло использование клеток животных и растений.

С начала 50-х годов XX в. вирус полиомиелита для производства вакцины выращивается в культурах клеток млекопитающих. Именно в эти годы линии культур клеток человека стали незаменимыми для выделения и выращивания ряда других вирусов, при производстве высокоспецифических белков (антител и интерферонов), в исследованиях рака и в противовирусной химиотерапии.

В этот же период широко используется культура растительной ткани, техника которой была значительно усовершенствована в 1937 г. В том же году Р. Готре разработал метод культивирования недифференцированной ткани моркови. Отделенный от родительского растения каллюс он фрагментировал и культивировал в новой культуральной среде, содержащей гормон роста - ауксин. Такие культуры тканей можно сохранять в течение десятилетий. В 1954 г. в Германии получена культура из отдельных растительных клеток. Позже подобные методы получили должное развитие. В 1957 г. специалисты добились образования у культуры корней и стеблей, предварительно обработав каллюс растительными гормонами.

В 1960 г. Э. Коккинг разработал метод ферментативного получения протопластов, слияние которых, минуя половое размножение, позволяет получать разнообразные гибриды (соматическая гибридизация).

В 1943 г. С.Э. Лурия и М. Дельбрук определяют наличие настоящих мутантов и мутаций среди бактерий. Этот год является годом становления генетики бактерий зарождения, а впоследствии - развития генной инженерии.

Начиная с 30-х годов XX в. в Советском Союзе активно работают научные школы академиков Н.П. Дубинина, С.И. Алиханяна, И.А. Раппопорта, Ю.А. Овчинникова, К.Г. Скрябина, Е.Д. Свердлова, И.Г. Атабекова, В.Г. Дебабова и др., исследующие вопросы генетики популяций, эволюционной, радиационной и космической генетики, генетические основы селекции, различные аспекты химического мутагенеза и его применение для изучения строения гена, а также в области селекции сельскохозяйственных культур и промышленных микроорганизмов.

4. Эра управляемого биосинтеза (1961-1975). Производство аминокислот посредством микробных мутантов имеет наибольшее значение среди возможных способов их получения.

Советский Союз производил свыше 1 млн. т микробного белка. Была создана целая микробиологическая индустрия под руководством В. А. Быкова. Это позволяло выпускать полноценные сбалансированные корма для выращивания птицы и скота.

Химический синтез аминокислот достаточно эффективен. В нем, как правило, используется непищевое сырье, достигается высокая концентрация продукта, возможна организация непрерывного производства при высокой автоматизации. Однако наряду с преимуществами синтез имеет ряд недостатков. Для его проведения необходима сложная аппаратура, ему свойственна многостадийность процесса. Кроме того, в результате синтеза образуются рацемические формы аминокислот. При микробном синтезе перечисленные недостатки устраняются.

Не менее важным достижением биотехнологии в этот период было получение чистых ферментов, промышленное использование иммобилизованных ферментов и клеток. Первые шаги в этом направлении были сделаны значительно раньше: Дж. Нельсон, Е. Гриффин (1916) адсорбировали инвертазу на угле; Дж. Пфанмюллер, Г. Шлейх (1939) для обработки шкур адсорбировали протеолитические ферменты на древесных опилках; Н. Грубхофер, Д. Шмейтон (1953) впервые применили ковалентное связывание. Термин «иммобилизованные ферменты» был узаконен в 1971 г. на первой конференции по инженерной энзимологии, состоявшейся в Хенникере (США). Немалый вклад в этом направлении внесли советские ученые И. В. Березин, К. Мартинек, В. В. Можаев, Р. В. Петров, В. Т. Иванов и др.

Впервые с помощью биотехнологии в эти годы был получен биогаз, налажено производство бактериальных полисахаридов.

5. Эра новой биотехнологии (после 1975). Новая эра биотехнологии отсчитывает свое время с открытия Д. Уотсоном и Ф. Криком строения молекулы ДНК (1953). Только после этого началось использование генной и клеточной инженерии для получения агентов биосинтеза. Главными объектами исследований становятся живая клетка и молекула ДНК. Учеными различных стран созданы искусственные генетические структуры, запрограммированные на конкретные признаки. Первые работы с рекомбинантными молекулами ДНК в бывшем СССР были проведены в 1974 г. группой ученых во главе с академиком А. А. Баевым, а затем получили известность труды академиков Ю. И. Овчинникова и М. В. Иванова и их учеников. Первые публикации по результатам этих работ появились в 1975 г. Созданы бактериальные штаммы-продуценты всех типов интерферонов, продуценты гормона роста человека и ряда сельскохозяйственных животных, проинсулина человека, интерлейкина-2 и т. д.

Не менее важное направление, сформировавшееся в эти годы, - получение гибридов, моноклональных антител, гибридов из протопластов и меристемных культур, трансплантация эмбрионов. В 1975 г. Дж. Эдельман и Р. Портер путем гибридизации соматических клеток получили гибридомы, секретирующие моноклональные антитела. В Болгарии разработан метод выращивания фруктов и овощей без косточек.

Метод слияния клеток открывал возможность слить воедино даже совершенно различные микроорганизмы, включая клетки растений, животных и человека. Фузия (соматическая гибридизация) клеток, а именно так был назван метод их «слияния», создала перспективу для получения самой разной комбинации генов «родительских» пар. Так, клетки человека, синтезирующие антитела, но неспособные к быстрому росту и размножению, сливали с активно растущими раковыми клетками. В результате были получены новые клетки, способные к интенсивному росту и синтезу антител. Поскольку результаты подобных экспериментов хотя и прогнозируемы, но не всегда предсказуемы, в 1974 г. было наложено вето на проведение экспериментов, которые могли бы привести к возникновению опасных для человека последствий; многие из запретов позже удалось снять. Однако в 1975 г. было подписано международное соглашение, запрещающее разработку и внедрение «биологического оружия».

Едва развившись, дерево генной инженерии начало давать плоды. Так, выделение и внедрение генов карликовости обеспечило стремительное распространение по всему миру короткостебельных неполегающих сортов злаков, способных давать урожай зерна до 100 т/га. С помощью методов генной инженерии удалось создать ряд трансгенных растений (кукуруза, соя, сорго, рис, подсолнечник) и др. Одним из приоритетных направлений биотехнологии становится создание более продуктивных штаммов микроорганизмов для традиционных микробиологических процессов. Интенсивно развивается новое направление в биотехнологии - иммобилизация ферментов и клеток на специальных носителях, что обеспечивает многократное их использование.

Крупным международным событием стал конгресс «Биотехнология: состояние и перспективы развития», успешно прошедший в Москве в 2002 г. и приобретший статус постоянно действующего. Итоги I и II (2003) Международных конгрессов по проблемам биотехнологии показали явный прогресс в развитии этой науки, которая все больше приобретает отраслевое значение.

Но, несмотря на эти успехи, эра новой биотехнологии только начинается. То, что ей подвластно, поражает, ибо она в состоянии изменить саму жизнь.

Объектами биотехнологических исследований являются клетки и ткани, а также биополимеры участвующие в процессах метаболизма и передачи наследственной информации.