Биотехнология и становление её теоретических основ

    Быстрое развитие биотехнологии как научной  дисциплины с середины XIX в. было инициировано работами Л. Пастера (1822 - 1895).

    Именно  Л.Пастер ввел понятие биообъекта, не прибегая, впрочем, к такому термину, доказал «живую природу» брожений: каждое осуществлявшееся в производственных условиях брожение (спиртовое, уксусно-, молочнокислое и т.д.) вызывается своим микроорганизмом, а срыв производственного процесса обусловлен несоблюдением чистоты культуры микроорганизма, являющегося в данном случае биообъектом.

    Практическое  значение этих исследований Л. Пастера  сводится к требованию поддержания  чистоты культуры, т.е. к проведению производственного процесса с индивидуальным, имеющим точные характеристики биообъектом.

    Позднее, приступив к работам в области  медицины, Л. Пастер исходил из своей  концепции о причине заразных болезней, сводя ее в каждом случае к конкретному, определенному микроорганизму. Хотя техника того времени не позволяла увидеть возбудителя инфекции, как, например, в случае вируса бешенства, однако Л.Пастер считал, что «мы его не видим, но мы им управляем». Целенаправленное воздействие на возбудителя инфекции (в целях ослабления его патогенности) позволяет получать вакцины.

    Ослабленный патоген и животное, в организм которого он введен, могут рассматриваться  как своеобразный биообъект, а получаемая вакцина - как биотехнологический препарат. Л. Пастер создал строго научные основы получения вакцин, тогда как замечательные достижения Э.Дженнера в борьбе с оспой были результатом освоения эмпирического опыта индийской медицины.⁹

    Таким образом, уже в начале XX века наблюдается  активное развитие бродильной и микробиологической промышленности. В эти же годы были предприняты первые попытки использовать ферменты в текстильной промышленности. В1916-1917 годах русский биохимик А. М. Коленев пытался разработать способ, который позволил бы управлять действием ферментов в природном сырье при производстве табака. Сам термин «биотехнология» впервые был применён в 1917 году венгерским инженером Карлом Эреки.¹⁰

    Определённый  вклад в развитие практической биохимии принадлежит академику А.Н. Баху, который создал важное прикладное направление биохимии - техническую биохимию. А.Н. Бах и его ученики разработали множество рекомендаций по улучшению технологий обработки самого различного биохимического сырья, совершенствованию технологий хлебопечения, пивоварения, виноделия, производства чая и табака, а также рекомендации по повышению урожая культурных растений путём управления протекающими в них биохимическими процессами. Все эти исследования, а также прогресс химической и микробиологической промышленности и создание новых промышленных биохимических производств, стали главными предпосылками возникновения современной биотехнологии.

    В производственном отношении основой  биотехнологии в процессе её формирования стала микробиологическая промышленность. За послевоенные годы микробиологическая промышленность приобрела принципиально новые черты: микроорганизмы стали использовать не только как средство повышения интенсивности биохимических процессов, но и как миниатюрные синтетические фабрики, способные синтезировать внутри своих клеток ценнейшие и сложнейшие химические соединения. Перелом был связан с открытием и началом производства антибиотиков.

    Первый антибиотик - пенициллин - был выделен в 1940 году. Вслед за пенициллином были открыты и другие антибиотики (эта работа продолжается и поныне). С открытием антибиотиков сразу же появились новые задачи: налаживание производства лекарственных веществ, продуцируемых микроорганизмами, работа над удешевлением и повышением уровня доступности новых лекарств, получением их в очень больших количествах, необходимых медицине. Синтезировать антибиотики химически было очень дорого или вообще невероятно трудно, почти невозможно (недаром химический синтез тетрациклина советским учёным академиком М. М. Шемякиным считается одним из крупнейших достижений органического синтеза). И тогда решили для промышленного производства лекарственных препаратов использовать микроорганизмы, синтезирующие пенициллин и другие антибиотики. Так возникло важнейшее направление биотехнологии, основанное на использовании процессов микробиологического синтеза.

    В 1978 г. сотрудники фирмы «Genetech» (США) впервые выделили последовательности ДНК, кодирующие инсулин человека, и перенесли их в клонирующие векторы, способные реплицироваться в клетках Escherichia coli. Этот препарат мог использоваться больными диабетом, у которых наблюдалась аллергическая реакция на инсулин свиньи.

    В 1980 г. Верховный суд США признал, что генно-инженерные микроорганизмы могут быть запатентованы, а развитие биотехнологических методов получило юридический статус.¹¹

    В 1990 г. произошли два принципиально важных события: была разрешена генотерапия (но только применительно к соматическим клеткам человека, т.е. без передачи чужого гена потомству) и утвержден международный проект «Геном человека». Образно говоря, человеку было юридически разрешено познавать свою сущность.

    Можно выделить основные вехи развития биотехнологии (события, даты):

    ок. 8000 лет до н.э.

    Первые  опыты культивации растений.

    Впервые начали выращивать культурный картофель  для употребления в пищу.

    4000 – 2000 лет до  н.э.

    Биотехнологии впервые используются для изготовления хлеба и пива (Египет), ферментации сыра (Шумер, Китай и Египет) и т.д.

    500 лет до н.э.

    Китай: впервые использован антибиотик (плесень на соевых бобах применялась  для обезболивания), соевый творог используют для лечения ожогов.

    ок. 100 году н.э.

    Китай: впервые использован инсектицид (высушенные и измельченные в мельчайший порошок лепестки хризантемы применялись, чтобы отпугивать мух и комаров).

    1322 год

    На  территории Аравии впервые использовано искусственное осеменение для селекции арабских скакунов.

    1865 год

    Австрийский монах Грегор Мендель создал науку  генетику (открытие закона наследственности).

    Идеи  Дарвина и Менделя дали толчок бурному развитию биотехнологии. В 1870-1890-х годах начинается массовое создание гибридов сельскохозяйственных растений, что позволило создать тысячи новых сортов. В частности:

    Селекционеры  путем скрещивания получили сотни  новых сортов хлопчатника лучшего  качества;

    Получены  первые гибриды кукурузы;

    Фермеры впервые стали вносить на поля фиксирующие азот бактерии (для повышения  урожайности).

    1900 год

    Впервые для генетических исследований начали применять мушек дрозофил.

    1919 год

    Термин "биотехнология" впервые использован  в печати.

    1928 год

    Английский  ученый Александр Флеминг открыл пенициллин.

    Лайбах  впервые использовал метод выделения  эмбрионов для получения гибридов - процесс, который теперь известен как гибридизация.

    Карпеченко  скрестил редис и капусту и  впервые получил фертильное потомство  от растений разных родов.

    1930 год

    Конгресс  США одобрил закон о патентировании продуктов селекции растений (Plant Patent Act).

    1944 год

    Эйвери  доказал, что ДНК несет генетическую информацию.

    1958 год

    Молекула  ДНК впервые синтезирована в  лаборатории.

    1964 год

    Начало "Зеленой Революции": Международный  Институт Исследований Риса на Филиппинах добился повышения урожайности риса вдвое, что позволило избавиться от голода во многих странах Азии.

    1972 год

    Доказано, что генокод человека на 99% аналогичен генокоду горилл и шимпанзе. 

    1980 год

    Впервые выдан патент на клонирование.

    1981 год

    Создано первое трансгенное животное (мышь).

    Китайские ученые впервые клонировали рыбу (золотого карпа).

    1982 год

    Зарегистрировано  первое лекарство, полученное методами б/т (FDA): человеческий инсулин, выбатываемый бактериями.

    Первая  генетическая трансформация растительной клетки: Petunia (расцветка цветков).

    1996 год

    Открыт  ген, вызывающий болезнь Паркинсона.

    1997 год

    Впервые из эмбриона клонировано животное - знаменитая шотландская "овечка Долли".

    1998 год

    Впервые создана полная генетическая карта  животного (дождевой червь).

    2000 год

    Первое  полное картирование генома растения: Arabidopsis thaliana.¹²

§ 2.2. Основные этапы развития биотехнологии

    Можно выделить следующие основные этапы развития биотехнологии:

    1) Развитие эмпирической технологии  – неосознанное применение микробиологических процессов (хлебопечение, виноделие) примерно с VI тысяч лет до нашей эры.

    2)    Зарождение фундаментальных биологических наук в XV-XVIII веке.

    3) Первые внедрения научных данных  в микробиологическое производство в конце ХIХ - начале XX века - период революционных преобразований в микробиологической промышленности.

    4) Создание научно-технических предпосылок возникновения современной биотехнологии в первой половине XX века (открытие структуры белков, применение вирусов в изучении генетики клеточных организмов).

    5) Возникновение собственно биотехнологии  как новой научно-технической  отрасли (середина XX века), связанное с массовым рентабельным производством препаратов; организация крупнотоннажных производств по получению белка на углеводородах (сначала 60-х годов).

    6) Появление новейшей биотехнологии,  связанное с применением в практике генной и клеточной инженерии, инженерной энзимологии, иммунной биотехнологии.¹³

    Современное микробиологическое производство - производство очень высокой культуры. Технология его очень сложна и специфична, обслуживание аппаратуры требует овладения специальными навыками. В настоящее время с помощью микробиологического синтеза производят антибиотики, ферменты, аминокислоты, полупродукты для дальнейшего синтеза разнообразных веществ, феромоны (вещества, с помощью которых можно управлять поведением насекомых), органические кислоты, кормовые белки и другие. Технология производства этих веществ хорошо отработана, получение их микробиологическим путём экономически выгодно.

    Таким образом, биотехнология является закономерным результатом развития человечества, признаком достижения им важного, можно сказать поворотного, этапа развития.

§ 2.3. Достижения в области биотехнологии в XXI веке

    2001 год для биотехнологии ознаменовался  созданием первой полной генетической карты сельскохозяйственного растения (риса).

    Ведущие мировые производители генетически  модифицированных продуктов питания  достигли рекордных объемов продаж. Лидер отрасли компания Monsanto (США) создала картофель, устойчивый к болезнетворным вирусам; хлопок, который не боится насекомых-вредителей; сою и кукурузу, на которые не действуют гербициды, смертельные для сорняков. Продажи Monsanto составили $5.5 млрд. Образованная в 2000 году, крупнейшая сельскохозяйственная компания мира Syngenta (Швейцария) совместно с Monsanto создала "золотой рис" с рекордной урожайностью. Продажи Syngenta достигли $6.3 млрд. Компания Dupont (США) - крупнейший производитель растительного масла в мире. Наиболее известное достижение ее генетиков - кукуруза, которая не боится червей-вредителей. Продажи сельскохозяйственного подразделения Dupont в 2001 году составили $4.3 млрд.¹⁴