Лекция № 1. Введение в биотехнологию. Биообъекты как средство производства лекарственных средств

ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ:

4. Биотехнология как наука. История развития биотехнологии.

5. Микро- и макроорганизмы как объекты биотехнологии.

6. Использование макромолекул с ферментативной активностью в биотехнологии.

1. Биотехнология как наука. История развития биотехнологии

Название «биотехнология» происходит от греческих слов bios — жизнь, tеken — искусство, logos – слово, учение, наука. Термин «биотехнология» был введен в 1917 г. венгерским инженером Карлом Эреки при описании процесса крупномасштабного выращивания свиней с использованием в качестве корма сахарной свеклы. По определению К. Эреки, биотехнология – это «все виды работ, при которых из сырьевых материалов с помощью живых организмов производятся те или иные продукты».

Однако этот термин в те годы не получил широкого распространения. Только в 1961 г. к нему вновь вернулись, после того как шведский микробиолог Карл Герен Хеден порекомендовал изменить название научного журнала "Journal of Microbiological and Biochemical Engineering and Technology" (Журнал микробиологической и химической инженерии и технологии), специализирующегося на публикации работ по прикладной микробиологии и промышленной ферментации, на "Biotechnology and Bioengineering" (Биотехнология и биоинженерия).

Таким образом, биотехнология – наука о закономерностях и особенностях промышленного использования живых организмов, клеток и их компонентов, метаболизм и биологические возможности которых обеспечивают выработку и биотрансформацию специфических веществ.

Возникновение, становление и развитие биотехнологии условно можно подразделить на 4 периода: эмпирический, этиологический, биотехнический и генотехнический.

Эмпирический (от греч. empeirikos — опытный) период самый длительный. Эмпирическая биотехнология неотделима от цивилизации, пре­имущественно как сфера производства (с древнейших времен — приготовление теста, получение молочнокислых продуктов, сыро-, виноделие, пивоварение, ферментация табака и чая, выделка кож и обработка растительных волокон). В течение тысячелетий чело­век применял в своих целях ферментативные процессы, не имея понятия ни о ферментах, ни о клетках с их видовой специфично­стью и, тем более, генетическим аппаратом.

Однако ряд научных открытий осуществленных в конце данного периода дали серьёзные предпосылки для дальнейшего развития биотехнологии.

1663 – английский естествоиспытатель Роберт Гук открывает клетку.

1675 – голландец Антони ван Левенгук обнаруживает бактерий.

1797 – английский врач Эдвард Дженнер вводит ребенку вирусную вакцину с целью профилактики оспы.

1830 – открыты белки.

1833 – открыт и выделен первый фермент.

1835–1855 – немецкие биологи Маттиас Якоб Шлейден и Теодор Шванн высказывают предположение, что все организмы состоят из клеток, немецкий патолог Рудольф Вирхов постулирует: «каждая клетка появляется от клетки».

Второй, этиологический (от греч. aitia — причина) период в развитии биотехнологии охватывает вторую половину XIX века и первую треть XX века (1856 — 1933 гг.). Он связан с выдающимися исследованиями великого французского ученого Луи Пастера (1822-1895) — основоположника научной микробиологии и ряда микробиологических дисциплин. Пастер вскрыл 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.

В биотехнологии важными являются питательные среды для культивирования ряда биообъектов. Уже Л. Пастер приготовил первую жидкую питательную среду в 1859 году. Р. Коху в 1876 г. удалось вырастить бациллы сибирской язвы в капле водянистой влаги, извлеченной из глаза погибшей коровы. В 80-е годы XIX столетия Р. Кох предложил метод культивирования бактерий на стерильных ломтиках картофеля и затем - на агаризованных питательных средах.

В настоящее время, предлагая самые сложные и необычные в каком-либо отношении среды для выращивания биообъектов, мы опираемся на основополагающие результаты этих выдающихся ученых. Аналогичным образом можно сказать и о вариантах способов стерилизации питательных сред. Все они основывались на необходимости уничтожения посторонней микрофлоры, которая попадала в среды в процессе их изготовления.

В ряду открытий всемирного значения стоит обнаружение в 1892 г. вируса мозаичной болезни табака Д. И. Ивановским (1864 - 1920). Последовавшие за этим обнаружения других вирусов обеспечили становление новой научной дисциплины — вирусологии.

Этиологический период знаменателен тем, что удалось доказать индивидуальность микробов и получить их в чистых культурах. Более того, каждый вид мог быть размножен на питательных средах и использован в целях воспроизведения соответствующих процессов (бродильных, окислительных и др.).

Для всестороннего изучения морфолого-физиологических свойств и продуктов обмена, прежде всего, микробов все ранее предложенные способы их выращивания оказались малопригодными. Более того, накопление однородной по возрасту большой массы клеток оставалось исключительно трудоемким процессом. В 1933 году А. Клюйвер и Л. X. Ц. Перкин опубликовали работу "Методы изучения обмена веществ у плесневых грибов", в которой изложили основные технические приемы, а также подходы к оценке и интерпретации получаемых результатов при глубинном культивировании грибов. С этого времени начинается третий период в развитии биологической технологии — биотехнический. Началось внедрение в биотехнологию крупномасштабного герметизированного оборудования, обеспечившего проведение процессов в стерильных условиях. Особенно мощный толчок в развитии промышленного биотехнологического оборудования был отмечен в период становления и развития производства антибиотиков (время второй мировой войны 1939 — 1945 гг., когда возникла острая необходимость в противомикробных препаратах для лечения больных с инфицированными ранами). Все прогрессивное в области биологических и технических дисциплин, достигнутое к тому времени, нашло свое отражение в биотехнологии.

Накопленные научные факты стали побудительным мотивом для разработки способов крупномасштабного культивирования клеток различного происхождения. Это необходимо было для получения различных клеточных продуктов и самих клеток для нужд человека, и, прежде всего, в качестве или в составе лечебных и профилактических средств: пенициллина, стрептомицина, тетрациклинов, декстрана, ряда аминокислот и многих других веществ. К 1950 г. Ж. Моно (Франция) разработал теоретические основы непрерывного управляемого культивирования микробов.

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 — биореакторов. Это оборудование используют и в настоящее время.

Четвертый период в биотехнологии — генотехнический (от греч. genesis — происхождение, возникновение, рождение) начался с 1972 г. 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 невозможным 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.

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

В 1982 г. поступил в продажу человеческий инсулин, выработанный кишечными палочками, несущими в себе искусственно встроенную генетическую информацию об этом гормоне. 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.

В настоящее время интенсивно растет количество таких успеш­но применяемых в медицине биотехнологических продуктов, как рекомбинантные белки, вторичные метаболиты микроорганизмов и растений, а также полусинтетических лекарственных агентов, являющихся продуктами одновременно био- и оргсинтеза.

Современная биотехнология, основанная на практическом воплощении достижений мо­лекулярной биологии, молекулярной генетики и биоорганической химии способна созда­вать и использовать в производстве неприродные биообъекты, что отражается как на производственном процессе в целом, так и на свойствах новых биотехнологических продуктов.

Основными задачами биотехнологии являются:

- поддержание и активация путей обмена клеток, веду­щих к накоплению целевых продуктов при заметном подавлении других реакций обмена у культивируемого организма;

- получение клеток или их составных частей (преимущественно — ферментов) для направленного изменения сложных молекул (на­пример, рестриктазы, изомеразы и т. д.);

- углубление и совершенствование рДНК-биотехнологии и клеточной инженерии на предмет получения особо ценных результатов в фундаменталь­ных и прикладных разработках;

- создание безотход­ных и экологически безопасных биотехнологических процессов;

- совершенствование и оптимизация аппаратурного офор­мления биотехнологических процессов с целью достижения мак­симальных выходов конечных продуктов при культивировании естественных видов с измененной наследственностью методами клеточной и генной инженерии;

- повышение технико-экономических показателей биотехнологических процессов по сравнению с существующими.

Биотехнологии присущи свои специфические методы — это крупномасштабное глубинное культивирование биообъектов в пе­риодическом, полунепрерывном или непрерывном режиме; выра­щивание клеток растительных и животных тканей в особых усло­виях.

Другие методы, используемые в биотехнологии, являются об­щими, например, с методами в микробиологии, биохимии, биоин­женерии, органической химии и других науках.

Особенность методов, используемых в биотехнологии, заклю­чается в том, что они должны выполняться, как правило, в асеп­тических условиях (от греч. а — не, septicos — гнилостный), то есть при исключении возможности попадания в среду культиви­рования биообъекта болезнетворных (патогенных) и неболезнетворных (сапрофитных) микроорганизмов. Патогенные виды пред­ставляют непосредственную опасность для занятых в производстве людей и для потребителей конечных продуктов; сапрофитные виды могут выступать конкурентами за питательные субстраты, антаго­нистами, продуцентами токсических веществ, включая пирогены.

В настоящее время биотехнология подразделяется на несколько очень тесно связанных друг с другом разделов: инженерная энзимология, клеточная и генная инженерия, иммунобиотехнология и др.

В зависимости от используемых объектов выделяют микробную-, фито-, зообиотехнологию и др.

Исходя из области применения биотехнология делится на: медицинскую, сельскохозяйственную, технологическую, пищевую, биогеотехнологию и др.

Дата добавления: 2015-07-07