Лекція 1.  IСТОРІЯ РОЗВИТКУ БІОТЕХНОЛОГІЇ (доповнена)

 

План:

1.1. Біотехнологія – нова комплексна галузь народного господарства

        1.2. Історія розвитку біотехнології

        1.3. Що вивчає бiотехнологiя та її звязок з іншими науками

 

1.1.      Біотехнологія – нова комплексна галузь народного господарства

 

       Сучасний етап науково-технічного прогресу характеризується револю-ційними змінами в біології, яка стає лідером природознавства. Біологія вий-шла на молекулярний і субклітинний рівень, в ній інтенсивно застосовують-ся методи суміжних наук (фізики, хімії, математики, кібернетики і ін.), сис-темні підходи (рис.1.1.1).

 

 

 

Рисунок 1.1.1. Зв'язок біотехнології із іншими науками

 

       Бурхливий розвиток комплексу наук біологічного профілю з розширен-ням практичної сфери їх застосування обумовлено і соціально -  економічни-ми потребами суспільства. Дефіцит чистої води і харчових продуктів (особи-во білкових), забруднення навколишнього середовища, нестача сировинних і енергетичних ресурсів, необхідність розвитку нових засобів діагностики і лікування, не можуть бути вирішені традиційними методами. Тому виникла потреба в розробці і впровадження принципово нових методів і технологій. Вирішальна роль у вирішенні цих проблем відводиться біотехнології, в рам-ках якої відбувається цільове застосування біологічних систем і процесів в різних сферах людської діяльності. В сучасній біотехнології відповідно до специфіки сфер її застосування доцільно виділити як самостійні ряд перспек-тивних напрямків: промислова мікробіологія; медична біотехнологія; техно-логгічна біоенергетика; сільськогосподарська біотехнологія; гідрометалур-гія; інженерна ензимологія; клітинна і генетична інженерія; екологічна біо-технологія (рис. 1.1.2).

 

Рисунок 1.1.2. Основні напрямки біотехнології

 

 

   Перспективність і ефективність застосування біотехнологічних процесів в різних сферах людської діяльності, від отримання їжі та напоїв до від-творення екологічно чистих енергоносіїв і нових матеріалів обумовлена їх компактністю і одночасно крупномасштабністю, високим рівнем механізації і продуктивності праці. Ці процеси піддаються контролю, регулюванню і авто-матизації. Біотехнологічні процеси, на відміну від хімічних, реалізуються в «м'яких» умовах, при нормальному тиску, активною реакцією і невисокими температурами середовища; вони у меншій мірі забруднюють навколишнє середовище відходами і побічними продуктами; мало залежать від кліматич-них і погодних умов; не вимагають значних земельних площ; не потребують застосування пестицидів і інших чужорідних для навколишнього середовища агентів. Тому біотехнологія знаходиться у ряді найбільш пріоритетних галу-зей, а її окремі напрямки є яскравим прикладом «високих технологій», з якими зв'язують перспективи розвитку багатьох виробництв. Біологічні тех.-нології знаходяться в даний час у фазі бурхливого розвитку, але рівень їх розвитку багато в чому визначається науково-технічним потенціалом країни. Високорозвинуті країни світу відносять біотехнологію до однієї з найваж-ливіших сучасних галузей, вважаючи її ключовим методом реконструкції промисловості у відповідності з потребами часу, і приймають заходи по стимулюванню її розвитку.

        Біотехнологічні процеси багатогранні по своїй історії і структурі, вони об'єднують елементи фундаментальних наук, а також ряду прикладних галу-зей, таких як хімічна технологія, машинобудування, економіка. Наукова бага-тогранність біотехнології в цілому і її розділи, використовують досягнення наук біологічного циклу, біологічних організмів (мікробіологія, мікологія), суборганізменні структури (молекулярна біологія, генетика). Через біологію на розвиток біотехнології впливають хімія, фізика, математика, кібернетика, механіка.

       Сучасні біотехнології вимагають науково-обгрунтованого опрацьовуван-ня технології і апаратурного обладнання. Тому необхідний органічний зв'язок з технічними науками – машинобудуванням, електронікою, автоматикою. Суспільні і економічні науки також мають велике значення в розвитку еко-логічної біотехнології, оскільки вирішення нею практичних завдань має і соціально-економічне значення для розвитку будь-якого суспільства. 

        До біотехнології, як і до будь-якої галузі наукових знань, підходять зна-мениті слова Луї Пастера: «Ні, і ще тисячу разів немає, я не знаю такої науки, яку можна було б назвати прикладною. Є наука і є галузі її застосування, і вони зв'язані один з одним, як плід з деревом, що його виростило».

       Біотехнологія - комплексна міждисциплінарна прикладна наука та галузь знань на стику біологічних, хімічних і технічних "наук про живе", яка  вико-ристовує живі організми (біооб'єкти, біоагенти) і біологічні процеси та біо-техніку у промисловому виробництві для отримання корисних речовин, з метою вирішення життєвих проблем та виготовлення продуктів медичного, харчового, аграрного, екологічного призначення, та надання послуг у народ-ному господарстві, охороні здоров'я та охороні довкілля.

 

1.2. Історія розвитку біотехнології

 

Корiння бiотехнологiї виходить з глибокої давнини. Тисячi рокiв тому людина використовувала мiкроорганiзми для одержання хлiба, сиру, кислого молока, пива, вина, несвiдомо застосовуючи бiотехнологiчнi методи в прак-тичному життi. Достеменно не вiдомо, коли людина почала вирощувати рослини i приручати тварин.

Сучаснi методи аналiзу пилку рослин вказують про те, що 95 тисяч рокiв тому на територiї сучасної Францiї люди вирощували чечевицю. Дещо ранiше розпочалось землеробство на Близькому Сходi, який дуже багато вчених вважають колискою цивiлiзацiї.

Народившись у долинах повноводних рiчок, головним чином мiж Тиг-ром i Євфратом, землеробство дало людинi один з перших продуктiв бiо-технологiї - зерно. Ми називаємо цю область Мiжрiччям, а по-грецьки Месо-потамiєю де в рiзнi часи iснували держави Шумер, Аккад, Асірiя. Саме древ-нi шумери винайшли клинопис на глиняних табличках, якi через багато тисяч рокiв знаходять при розкопках археологи. У древнiх шумерiв навiть клино-пису спочатку не було. Їм, як i єгиптянам, доводилось все малювати. Встановлено, що в шумерських мiстах були школи, в яких дiтей навчали розв’язувати задачi. З однiєю iз таких задач i з її рiшенням вченi зiткнулись зовсiм недавно. На табличцi був хiд рiшення шкiльних вправ з вивчення кiлькостi працiвникiв, необхiдних для виконання певної роботи, а також того провiанту (зерна i кухлi ячмiнного пива), який необхiдний для цих робiтникiв. Пиво цiкавить нас в першу чергу, оскiльки це одне з древнiх свiдчень використання людьми бiотехнологiчних процесiв, оскільки його неможливо приготувати без застосування мiкроорганiзмiв, якi переробляють цукор на спирт. Але на тiй табличцi нiчого не говорилось про випiкання хлiба. Хлiб вони, як i бiблiйнi герої, вiрогiдно, їли пiсний.

Археологи при розкопках знайшли глиняну табличку, яка свiдчить про те, що в Мiжрiччi шiсть тисяч рокiв тому займались розведенням коней. А асирiйськi жерцi запилювали фiнiковi пальми пiд розпростертими крилами  Бога Сонця.

Не так давно весь археологiчний свiт заговорив про вiдкриття величної цивiлiзацiї в долинi рiчки Iнду. Ще древнi шумери вели активну торгiвлю з мiстами iндостанського пiвострова. По обидвi сторони Аравiйського моря вченi знаходять однаковi стеатитовi (стеатит – лiкувальний камiнь) печатки з зображеннями бикiв, що свiдчить про їх розведення. З Iндостану в Шумерську державу поставляли спецiї i вовну, льон i олiю. Клинопис Шумера повiдомив про ввезення iз-за моря значної кiлькостi шкiри, а в самiй долинi Iнду археологи розкопали глинянi змiйовики, за допомогою яких древнi жителi переганяли спирт – продукт життєдiяльностi дрiжджiв.

В древньому Китаї три тисячi рокiв тому в епоху Захiдної iмперiї Чжоу мешканцi провiнцiї Шансi готували рисове вино. В древнiй “Книзi пiсень” говориться: “…фiнiки будемо збирати в серпнi, а урожай рису – у вереснi, щоб встигнути до весни приготувати хмiльний напiй i на веселому святi побажати один одному здоров’я“.

Саме рисове поле є добре збалансованою бiотехнологiчною системою симбiотуючих органiзмiв. Рисовій рослині допомагає рости i розвиватись невелика водяна папороть, а синьо-зеленi водоростi, які здатнi засвоювати азот безпосередньо з повiтря, сприяють накопиченню в рисовому зернi цiнного бiлку.

Здавна в Китаї культивували шовк (нитка, отримана при розмотуваннi кокона, в якому ховається гусениця тутового шовкопряда). Кокон вона робить з павутини, обмотуючись нею зi всiх сторiн. Павутина – практично чистий бiлок, причому нитка її мiцнiша за сталь. Ще Аристотель писав про цей дивний продукт бiотехнологiї загадкового Сходу. По Великому шовковому шляху тканини з нього доставляли в Єгипет, де вони дуже високо цiнувались на ринках багатьох мiст.

Стародавнi Грецiя i Рим успадкували цi знання, що наклалися на мову, а потiм закрiпились i в сучаснiй науковiй термiнологiї. Сьогоднi хiмiки та бiохiмiки використовують грецьке слово “ензим“ i латинське “фермент” для позначення особливих бiлкiв у клiтинах, якi i здiйснюють всi реакцiї в живому свiтi. В основi грецького слова лежить корiнь “зим”  (пiднiмати). Мова йде про дрiжджове тiсто, що пiднялось і було виготовлене за допомогою закваски – недарма його ще називають “квашнею“. В Древньому Римi не знали, що закваска являє собою дрiжджовi (до речi, вiд слова “дрижати” – бо пiдняте тiсто “дрижить“), тому говорили “ферментум”  (бродiння, кипiння, вибух, рiзке збiльшення в об’ємi).

В Олександрiї добре знали процес перегонки. Олександр Афродiзiй писав, що матроси кип’ятили морську воду, збирали прiснi пари за допомогою губок. Плiнiй описав iнший метод конденсацiї летких парiв: холодне бараняче хутро з джерельною водою пiдвiшували над вогнищем з киплячою смолою, збираючи тим самим пари скипидару.

В Стародавньому заповiтi в “Книзi творiння“ описується сп’янiння Ноя пiсля спасiння його на знаменитому Ноєвому ковчезi, на якому вiн вирушив у плавання пiд час Всесвiтнього потопу. В Древнiй Грецiї вино заборонялось пити нерозбавленим. Саме слово “вино“ прийшло в нашу мову з латинi, яка запозичила його з грецької, де воно називалось “ойнос”. Давньоримський поет Горацiй писав про знамените фалеранське вино, яке виробляли в 42 році до нашої ери пiд час правлiння консула Мiнатiуса Планкуса, коли спостеріга-вся нечуваний врожай винограду.

У 1775 році зроблено цiкаве вiдкриття: якщо виноградне гроно залиши-ти на лозi до заморозкiв, то це сприяє збiльшенню цукристостi завдяки гiдролiзу вуглеводiв (гiдролiз означає “лiзис” – розщеплення за допомогою “гiдро”, тобто води). До вуглеводiв належать цукровмiснi речовини (крохмаль, глiкоген, целюлоза).

Дослiдження природознавцями ХVIII століття процесiв, якi вiдбуваю-ться в живих органiзмах, завершились народженням бiохiмiї i одного з важливих її напрямкiв – науки про ферменти.

Початком розвитку ферментiв вважають 1783 рiк, коли аббат Л. Спал-ланцанi почав займатися науковими дослiдженнями. Вiн фарширував м’ясом шматочки деревини i ковтав їх. Витягаючи цi шматочки iз власного шлунку, вiн спостерiгав за змiнами, якi вiдбувалися з м’ясом пiд дiєю шлункового соку. Крiм чисто наукових результатiв цих дослiджень, був i практичний – гострий катар шлунку, набутий дослiдником. Але вiдданiсть науцi i спостережливiсть дозволили йому зробити висновок про наявнiсть у шлунку якихось речовин, що деструктували м’ясо.

А в 1814 році росiйський хiмiк К.С. Кiрхгоф описав процес перетворен-ня крохмалю в цукор пiд дiєю речовини, яка мiститься у витяжцi з про-рослого насiння ячменю. Так вперше було одержано ферментний препарат. І тiльки в 1894 році японський вчений Д. Такамiне застосував фермент амiлазу мiкроскопiчного гриба Aspergillus для одержання цукру з крохмалю в промисловому виробництвi.

Наступна вiха бiотехнологiї (середина ХIХ століття) повязана із дослідженнями Луї Пастера, який встановив, що бродiння зумовлене життєдiяльнiстю мiкроскопiчних iстот, або мiкробiв. Розмножуючись, мiкроби оцтовокислого бродiння використовують накопичений у винi спирт i окислюють його в оцтову кислоту. В 1857році ним доведено, що ферментацiя – це результат дiяльностi мiкроорганiзмiв i, таким чином, об’єднав мiкробiологiю i бiохiмiю,  приєднавши пiзнiше до них i технологiю, заклавши науковi основи декiлькох галузей харчової промисловостi: пивоварiння, виноробства та iн. Він винайшов простий спосiб, який призупиняє небажане розмноження мiкроорганiзмiв, прогрiваючи продукт 2-3 рази до температури 60-700С. Цей метод отримав назву “пастеризацiя”. Потiм Л. Пастер повнiстю переключився на мiкробiологiю, засновником якої його і вважають. В Парижi вiн заснував знаменитий Пастерiвський iнститут, куди зiбрав кращi сили наукової Європи. В нього працювали Ру i Кох, вiн запросив до себе  видатного дослiдника I.I. Мєчнiкова, який вiдкрив клiтину макрофаг, що захищає нас вiд хвороботворних мiкробiв та вiрусiв. Пастеру так i не вдалося видiлити збудник сказу (сказ викликається вiрусом, i його тодi ще не вмiли культивувати), але вiн ввiв щеплення вiд його захворювання. 4 липня 1885 році Пастер за допомогою щеплення iмунiзував маленького Жозефа Майстера, якого покусав скажений собака. Iмунiзацiя пройшла успiшно, i Майстер набагато пережив Пастера, який помер в 1895 році. Пiсля себе Пастер залишив директором iнституту I.I. Мєчнiкова, який займав цю посаду до смертi в 1916 році.

Поряд із науковими розробками для народного господарства, вiдкриття у бiотехнологiї почали застосовувати у вiйськових цiлях, в т. ч. i для знищення людей. Пiд час першої свiтової вiйни у Нiмеччинi використову-вали бактерiї для виробництва великої кiлькостi глiцерину (до 1000 т на мiсяць) з метою одержання вибухової речовини, а англiйцi застосовували ацетон як розчинник для одержання тих же смертоносних вибухових речо-вин, якi були необхiднi для важкої артилерiї. При цьому використовувались бактерiї Acetobutylicum.

Для полегшення  і усунення плям жиру та кровi з тканини, як складовi компоненти миючих засобiв, використовували ферменти.

Черговий етап в біотехнології розпочався в 1921 році, коли англiйський мiкробiолог О. Флемiнг виявив властивiсть гриба Penicilium notatum синтезу-вати речовини, вiд яких гинуть клiтини бактерiй, але якi не шкiдливi для людини. Подальші наукові дослідження завершились отриманням першого в свiтi антибiотика, завдяки якому пiд час другої свiтової вiйни було врятовано життя мiльйонам людей, а автори препарату Е. Чейна i Х. Флорi стали лауреатами Нобелiвської премiї у 1945 році.

Чеський вчений Г. Мендель, нинi визнаний як основоположник генети-ки в 1866 році опублiкував результати власних десятирічних дослiджень з гiбридизацiї гороху i вперше обгрунтував i сформулював основнi закономiр-ностi спадковостi, але хiмiчна природа носiя спадкової iнформацiї для Менделя залишилась невiдомою.

У 50-х роках ХХ століття докорiнно змiнилось розумiння живого в зв’язку з вiдкриттями в галузi бiологiї, що допомогло вийти на молекуляр-ний рiвень. Результати досліджень у бiохiмiї допомогли швейцарському бiо-логу Ф. Мiшеру видiлити в 1868 році з лейкоцитiв, а потiм i iз сперматозої-дiв речовину, яку назвали нуклеїновою кислотою. В 1944 році американсь-кий вчений О. Еверi встановив, що елементарною одиницею спадковостi є ген, який складається з молекул дезоксирибонуклеїнової кислоти, а генетичнi ознаки органiзму можна змiнити, переносячи в нього молекули чужої ДНК.

У 1953 році стали вiдомi данi про двоспiральнiсть структури ДНК в результатi дослiджень американського генетика Дж. Уотсона i французького фiзика Ф. Крiка. Це вiдкриття вважають науковою подiєю в ХХ столiттi. Їх данi про двоспiральну структуру ДНК завершили перiод пошуку методичних пiдходiв до розшифрування спадковостi, розпочатого Г.Менделем, i поклали початок нової науки – молекулярної бiологiї.

У 60-х роках минулого століття внаслідок удосконалення аналітичних методів, запропонованих Сенгером, та встановлення у 1967 році Едманом і Беггом закономірностей процесу деградації білків з’явилася можливість автоматично визначати структуру білків. У 1978 році було встановлено пос-лідовності більше, ніж для 500 білків, складений їх електронний атлас. У 1963 році на основі досліджень Меріфілда створені перші прилади, завдяки яким став можливим автоматизований синтез поліпептидів на основі структури ДНК.

Спiльнi зусилля молекулярних бiологiв, бiохiмiкiв, бiофiзикiв, хiмiкiв, фiзикiв, математикiв були настiльки результативними, що за десятирiчний перiод (з 1960 по 1970 роки) науковi сенсацiї відбувалися одна за одною: вiдкриття генетичного коду, визначення структури РНК, з’ясування молеку-лярного механiзму передачi генетичної iнформацiї, штучний синтез гена та багато iнших вiдкриттiв. Вершиною наукового досягнення стало виникнення нового напрямку – генетичної iнженерiї, методи якої дають можливiсть цілеспрямовано поводитись з генами, взятими з клiтин.

У 1980 році створено перший синтезатор генів на основі відомої струк-тури білків. Таким чином, розвиток біологічних знань є результатом техніч-ного прогресу, тоді як біологічна наука, збагачена досягненнями ензимології та генетики створює систему взаємозв’язаних галузей біотехнології, перева-гою яких буде те, що в їх основі лежить функціонування природних систем, метаболічні механізми яких будуть підпорядковані інтересам людства.

       Узагальнюючи історічні аспекти розвитку біотехнології виділяють такі періоди її розвитку:

       - до 1865 року - допастерівський період застосування біотехнології. Фер-ментація (одержання продуктів ферментації, спиртового бродіння та непов­ного біоокиснення).

       - 1866-1940 роки - після пастерівська мікробіологічна ера. Мікробіоло-гічний синтез (виробництво розчинників, органічних кислот, вак­цин, вугле-водневих кормових дріжджів, аеробне очищення каналізаційних стоків). В 1926 році досліджено біоенергетичні закономірності окислення вуглеводнів мікро­організмами.

       - 1941-1960 роки - ера антибіотиків. Біосинтез та біотрансформація (ви-робництво пеніциліну, антибіотиків, фер­ментів; культивування рослинних клітин, одержання вірусних вакцин, стероїдів).

       - 1961-1975 роки - ера керованого біосинтезу. Біоконверсія. Біодеграда-ція. Мутації. Іммобілізація (іммобілізовані клітини та ферменти, амін окис-лоти мутантних мікоорганізмів, мікробні поліцукри, анаеробне очищення стоків, біогаз).

       - після 1975 року - ера молекулярної біотехнології. Клітинна та генна ін-женерія, трансплантація (гібриди, протопласти, рекомбінантна ДНК, цикло-спорин), розшифрування нуклеотидних послідовностей ДНК.

       - з 1980 року - ера біоіндустрії. Промислові методи управління біотехно-логіями, математичне моделювання біотехнологічних процесів, автоматиза-ція виробництв. Закладення основ біоінформатики - науки про технічні засо-би досліджень і моделювання макромолекул та їх систем.

       - з 1990 року - ера геноміки. Юридично затверджено міжнародний проект "Геном людини" та генотерапію.

       - 1992 рік - Конвеція про біологічне розмаїття. В 1995 році опубліковано детальні генетичні та фізичні карти хромосом люди­ни.

       Геном - генетичний матеріал організму людини, що входить до нуклео-тидного складу всіх генів з певними функціями, за нормальних умов є ста-більним і міститься у певній послідовності у кожній з близько 10 трлн. клітин людини. Геноміка - наука про еволюції повних клітинних геномів.

       - 1995 рік - Протокол про біологічну безпеку, який регулює обробку та міжкордонне перенесення ОМО (ГМП генетично модифіковані організми-продукти), обговорений 140 країнами.

       - з 2000 року - ера протеоміки - післягеномна ера, продовження функ-ціональної геноміки. Відкритий протеом (повний набір структурних та каталітичних білків, що кодуються геномом, надзвичайно динамічний і змінюється залежно від функціонального стану клітини та її взаємодій і метаболізму). Протеоміка - наука про еволюцію білкових комплексів.

       - у 2000 році - створена Рада з питань інформації в біотехнології.

       - у 2003 році розшифровано геном людини. Розпочався розвиток генної, клітинної та тканинної терапії, проведено транс­плантації біосинтетичних ор-ганів та терапевтичного клонування, біоінформатики, біоіндикації та біотес-тування, необмежені можливості використання організмів і біологічних про-цесів у різноманітних галузях виробництва і народного госпо­дарства і їх застосування в охороні здоров'я та довкілля.

       Під егідою ООН прийняте рішення про створення Міжнародного науко-вого центру з біотехнологічних проблем для моніторингу трансферу біотех-нології, створення транснаціональних компаній та передачі інформації, конт-ролювання ринків збуту біопродукції та надання послуг.

Ось такий неповний перелiк iсторичних подiй, яким сучасна бiотехно-логiя зобов’язана своїм вiдродженням.

       Аналіз періодів розвитку біотехнології дозволяє виділити основні її етапи:

       - передісторічний етап формування біотехнології започаткований з найдавніших цивілізацій;

-         поява емпіричної технології в 6-му тисячолітті до нашої ери (пивова-ріння та виноробство, рисосіяння, вимочування прядивних культур, хлібопе-чення);

-          зародження природничих наук в XV–XVII століттях (розвиток аналітичних досліджень в хімії, мікробіології, вивчення сутності бродіння - ферментації, застосування дріжджів у пивоварінні та при виробництві спир-ту, вилуговуння металів);

       - формування мікробіологічних виробництв і початок взаємодії науки і мікробіологічних технологій, закладені основи органічної хімії, відкриті  ор-ганічні кислоти, гліцерин, холестерин, глюкоза, перші амінокислоти, про-ведено синтез сечовини, зародження ензимології та гідроліз поліцукрів,  дос-лідження Луї Пастера в порушенні технологічних виробництв, відкриття азотфіксуючих бактерій, революційне перетворення мікробіологічних вироб-ництв в кінці XIX – початку XX столітть (отримання антибіотиків, основи культивування рослинних клітин і тваринних тканин, розкриття структури хромосом  і  основи хромосомної теорії спадковості).

       - останній період ери передісторії сучасної біотехнології (40-і роки XX століття) умовно поділяють на два етапи: удосконалення існуючих виробництв та новітні технології промислового отримання  антибіотиків, ферментів, вітамінів; організація промислового виробництва амінокислот, білку одноклітинних, перетворення стероїдів, освоєння культивування клітин рослин і тканин тварин; отримання лікарських речовин стероїдної будови (виробництво вакцин).

       - ера новітніх біотехнологічних процесів останніх 25–30 років, пов'язана із використанням іммобілізованих ферментів і клітинної органели, методами рекомбінантних ДНК, генетичною і клітинною інженерією (отримання вак-цини вірусу поліомієліту, виробництва антитіл, інтерферону, протипухлин-них хіміопрепаратів, з конструюванням рекомбінантних ДНК і цілеспрямо-ване створення штучних генетичних програм, отримання нових суперштамів для деградації промислових токсикантів.

В даний час перед вченими постали важливi завдання - використання наукових досягнень i методiв бiохiмiї, мiкробiологiї, молекулярної бiологiї для створення новітнього поколiння бiотехнологiї, яка б реалiзувала свої можливостi в промислових процесах, сiльському господарствi, медицинi, екологiї та iнших галузях народного господарства.

 

1.3. Що вивчає бiотехнологiя та її зв'язок з іншими науками

       Біотехнологія (від лат. bios – життя, technos – архітектура, мистецтво lo-gos -logos – наука) - нова галузь науки і виробництва, що ґрунтується на викорис-танні біологічних процесів і об’єктів для виробництва економічно важливих речовин і створення високопродуктивних сортів рослин, порід тварин і штамів мікроорганізмів. У буквальному розумінні слова біотехнологія - це “біологія + технологія”, тобто використання фундаментальних біологічних знань у практичній діяльності, спрямованій на виробництво лікарських пре-паратів, білків, барвників, вітамінів та інших біологічно активних сполук, генетичному конструюванні організмів тощо.                                       

       Біотехнологія - це сукупність промислових методів, які застосовують          для виробництва різних речовин із використанням живих організмів, біоло-гічних процесів або явищ.  Сам термiн “бiотехнологiя” вперше використав угорець Карл Ерекi в 1919 році для визначення робiт, в яких продукти отримують за допомогою живих органiзмiв. В бiологiчному енциклопедич-ному словнику (1986), бiотехнологiєю називають використання живих орга-нiзмiв i бiологiчних процесiв у виробництвi. Бiотехнологiя сьогоднi являє собою ультра сучасний етап науково-технiчного прогресу.          

       На початковому етапi бiотехнологiя базувалась, головним чином, на досягненнях мiкробiологiв та ензимологiв, а в останнi 15-20 рокiв отримала потужний iмпульс до розвитку з боку найбiльш розвинутих галузей бiологiї: вiрусологiї, молекулярної та клiтинної бiологiї, молекулярної генетики.

       У даний час бiотехнологiя знаходиться на передньому краї науково-технiчного прогресу. Вона обiцяє докорiнно змiнити способи вирiшення кардинальних проблем охорони здоров’я, навколишнього середовища, бага-тьох сфер промислового виробництва, забезпечення суспiльства продоволь-ством. Зароджується космiчна бiотехнологiя.

       Сучасна біотехнологія ґрунтується на основних досягненнях біохімії, мікробіології, генетики, молекулярної біології, клітинної біології, екології та інших біологічних і технічних наук. Основними напрямками біотехнології є: промислова мікробіологія, біотехнологія виробництва ферментів та фарма-цевтичних препаратів, біотехнологія переробки відходів та вторинних про-дуктів, біотехнологія збагачення руд, біотехнологія виробництва етанолу (метанолу) та біогазу, технологія рекомбінантних ДНК, одержання гібридів та клональна біотехнологія. У біотехнології, як комплексній науці, за об’єк-тами дослідження можна виділити три розділи: біотехнологія рослин, біотех-нологія тварин і біотехнологія мікроорганізмів.

В Українi бiотехнологiя та її досягнення висвiтлюються в журналах: “Бiотехнологiя”, “Антибiотики i хiмiотерапiя”, “Мiкробiологiя” та iн. З 1982 року виходить реферативний журнал “Фiзико-хiмiчна бiологiя i бiотехноло-гiя”. Публiкуються монографiї з проблем бiотехнологiї.

Пiд термiном “бiотехнологiя” розумiють принаймнi чотири напрямки наукових досліжень, об’єднанi цим поняттям.

Перш за все це найбiльш “стара” галузь - мiкробiологiя. На даному етапi саме мiкробiологiчнi процеси найбiльш розвинутi на рiвні промислового виробництва i використання у вигляді крупнотоннажного виробництва мiк-робної бiомаси, антибiотикiв амiнокислот, та iнших лiкарських речовин. Тоб-то Їх виробництво базується на рiзноманiтних хiмiчних реакцiях, керованих сучасними досконалими бiологiчними каталiзаторами - ферментами, які во-лодiють недосяжною для хiмiчних каталiзаторiв активнiстю i вибiрковою дiєю, прискорюють реакцiї, для яких взагалi не вiдомi хiмiчнi каталiзатори. Тому їх практичне застосування вiдкриває можливостi для розробки перс-пективних хiмiчних процесiв, що проходять в м’яких умовах з високим ви-ходом спецiалiзованих продуктiв. Це i є другий напрямок бiотехнологiї – iнженерна ензимонологiя.

Два iншi напрямки бiотехнологiї – генетична iнженерiя та клiтинна iнже-нерiя - найбiльш молодi, проте дуже перспективнi.

Метод генетичної iнженерiї полягає в штучному конструюваннi ДНК, якi несуть генетичну iнформацiю про даний органiзм, тобто мiстять в собi програму його росту i розвитку. Таким чином, можна ціленаправлено вплива-ти на спадковiсть організму i отримувати новi його види з необхiдними влас-тивостями. В основi клiтинної iнженерiї лежить культивування клiтин i тканин вищих органiзмiв - рослин i тварин. Всi цi напрямки тiсно пов’язанi. Так, методом генетичної iнженерiї можна вирощувати спецiальнi види мiкроорганiзмiв, що мiстять пiдвищену кількiсть тих чи iнших ферментiв, необхiдних для потреб iнженерної ензимологiї які можна використовувати як каталiзатори не тiльки видiленi ферменти, а й безпосередньо клiтини мікро-органiзмiв, що знаходить застосування в:

       - аграрному секторі (біотехнологія трансгенних рослин та тварин, біо-засоби захисту та стимулятори рослин, біотехнологія аквакультур (водонос-ті), вико­ристання біоіндикаторів ґрунтів, біодобрив, біокормів. Сучасні тех.-нології у селекції рослин, стимуляції росту та захисту від захворювань вва-жаються перспективною сферою застосування "зеленої" біотехнології);

       - харчовій біотехнології (біосинтез харчових білків, харчових кислот, ароматизаторів, барвників, біологічно активних добавок, при­смаків, солод-ких сиропів, молочних продуктів, функціональних напоїв, жирів, покращання традиційних технологій, створення продуцентів харчових продуктів, делікт-тесів, біологічно активних добавок живих організмів, харчових волокон);

       - медицині та фармакології (біотехнологія антибіотиків, інтерферону та гормонів, фізіологічно активних речовин та добавок, біотехнологія молеку-   лярних та генно-інженерних вакцин, моноклональних антитіл, імуномодуля-торів, пробіотиків, імуноферментний аналіз, біомедичні діагностикуми, ней-ронбіологія, біотерапевтика, біотехнологія вітамінів та незамінних аміно-кислот, біотехнологія тканин та органів для трансплантації, генна терапія, генетичне протезування організму, тканинна терапія, біотехнологія модифі-кованих вірусів онкотерапії). Медична або "червона" біотехнологія вважа­ється найважливішою сферою застосування біотехнологій;

       - біогеотехнології (вилучення металів з руд, промислових стоків, добу-вання нафти, вугілля, усунення метану в шахтах, біокорозія, використання процесів та організмів морської біології тощо);

       - біоенергетиці (біогаз, фотобіотехнологія, біоконверсія зеленої біомаси, біопаливні елементи, паливний спирт, біоакумулятори, біотехнологія нафто-газодобувного комплексу);

       - біоелектроніці (біосенсори для екології та енергетики, біодавачі, біозапам'ятовуючі пристрої, біообчислювальні пристрої, біокомп'ютери);

- біоорганічному синтезі (застосування біотехнології при одержанні стероїдів, алкалоїдів, біодетергентів, оптично активних речовин, біосинтез фер­ментів, вітамінів, антибіотиків, спиртів, розчинників та інших біохіміч-них реагентів та препаратів);

       Основними напрямками застосування біотехнологіїв цих галузях є:

       - цілеспрямоване конструювання одного з компонентів біотехнологічної системи (штама продуцента) із застосуванням рекомбінантної техніки та клітинної інженерії (молекулярна біологія, генетика, генна інженерія);

       - нові методи управління процесами біосинтезу (біохімія, мікробіологія, математичне моделювання). Математичне моделювання біотехнологічних процесів;

       - створення   мікробіопристроїв:   біодавачів,   біосенсорів,   біокомп'юте-рів (органічна хімія, комп'ютерна технологія, електрохімія, аналітична хімія);

       - створення обладнання для мікробіоіндустрії (хімічна технологія, авто­матизація, комп'ютерна техніка). Комп'ютерне управління біосинтезом, автома­тичний контроль продукції;

       - стимулювання нових методів переробки нестандартизованої сировини за допомогою глибинної рідинної та твердофазної ферментації з метою регенерації чи знезараження відходів та створення безвідхідних технологій;

       - застосування термофільних та термотолерантних мікроорганізмів з ме-тою усунення контамінантів та енергозбереження;

       - диференціювання біотехнологічного режиму із застосуванням мікроб-них асоціацій (нарощування біомаси, біосинтез метаболітів) та полімермент-них систем (біокаталіз);

       - створення та народногосподарське освоєння: нових біологічно активних речовин і лікарських препаратів для медицини (інтерферонів, інсуліну, гормонів росту людини, моноклональних антитіл тощо), що дають змогу здійснити ранню діагностику  та  лікування  важких  захворювань  (серцево-судинних,  злоякісних, спадкових,   інфекційних,  зокрема  вірусних);  мікро-біологічних  засобів   захисту рослин від шкідників та хвороб, бактеріальних добрив і регуляторів росту рослин; нових високопродуктивних і стійких до несприятливих факторів довкілля сортів та гібридів сільськогосподарських рослин, отриманих методами генетичної та клітин­ної інженерії; цінних кор.-мових добавок і біологічно активних речовин (кормового білку,  амінокис-лот,   ферментів,  вітамінів,  ветеринарних  препаратів  тощо)  для підвищен-ня продуктивності тваринництва; нових методів біоінженерії для ефек­тивної  профілактики,  діагностики  та  терапії  основних  захворювань  сільськогос­подарських тварин; нових технологій зі створення корисних продуктів для використання у харчовій, хімічній, геологічній та інших галузях промисло-вості; технологій глибокої та ефективної переробки сільськогосподарських, промислових та побутових відходів, повторного використання стічних вод та газоповітряних викидів для виробництва біогазу та високоякісних добрив.

Для досягнення поставлених завдань для біотехнології основними напрямками наукових досліджень є:

- мiкробiологічний - найбiльш розвинутий до рiвня промислового вироб-ництва i промислового використання (крупнотоннажне виробництво мiк-робної бiомаси, антибiотикiв амiнокислот, та iнших лiкарських речовин);

- iнженерної ензимонологiї базується на реакцiях, керованих  сучасними досконалими бiологiчними каталiзаторами - ферментами;

- генетичної iнженерiї полягає в штучному конструюваннi ДНК, якi несуть генетичну iнформацiю про певний органiзм (програма його росту i розвитку);

- клiтинної iнженерiї - культивування клiтин i тканин вищих рослин i тварин.

 

1.4. Перспективи та проблеми розвитку біотехнології

 

       Виникнення промислової бiотехнологiї як нової галузi промисловостi є результатом як науково-технiчного прогресу, так i стимуляцiї розвитку нового поколiння наукових i технологiчних напрямкiв. Промислове застосування бiологiчних способiв виробництва базується на фундамен-тальних дослiдженнях бiохiмiї i мiкробiологiї, якi дозволять забезпечити надiйну експлуатацiю клiтинних популяцiй та бiополiмерiв-ферментiв для виробництва необхiдних людинi продуктiв, перш за все бiологiчно активних речовин. Значні i в бiльшостi непередбаченi перспективи вiдкриваються в зв’язку з iнтенсивною розробкою методiв генетичної i клiтинної iнженерiї, ефективнiсть яких для практики вже доведена.

Використання бiооб’єктiв у промисловому масштабi поставило велику кiлькiсть рiзноманiтних завдань, частина яких вимагає проведення специ-фiчних пiдходiв до їх вирiшення. Перш за все слiд вiдмiтити, що досвiд створення, пуску та експлуатацiї промислових бiотехнологiчних процесiв вказує на необхiднiсть якiсно нового рiвня знань про фiзiологiю одно-клiтинних i про властивостi клiтинних популяцiй, потреба в яких просто не виникала до початку промислового виробництва антибiотикiв, бiлкiв, амiнокислот. По сутi, мова йде про розробку теоретичної бази промислової бiотехнологiї, яка охоплює якiснi i кiлькiснi закономiрностi росту i розвитку окремої клiтини та популяцiї в цiлому.

Створення i введення в дiю крупнотоннажних бiотехнологiчних виробництв неминуче пов’язанi з необхiднiстю реалiзувати розробки, якi проведенi в лабораторiях i дослiдних умовах, в промислових апаратах ємкiстю в сотнi кубiчних метрiв, що випускають десятки, сотнi тисяч тонн продукцiї на рiк. За останнi роки людина володіє як позитивним, так i негативним досвiдом у бiотехнологiї який показує, що реалiзацiя лабораторних дослiджень в промисловому масштабi можлива тiльки за умов розумiння бiологiчних i фiзико-хiмiчних основ технологiчних процесiв i при наявностi адекватного математичного опису кiнетики основних i побiчних процесiв. При цьому головну увагу придiляють повнiй математичнiй моделi процесу, яка пов’язує його результати з умовами проведення, сприяючи активiзацiї режиму i розробцi дiєвої системи управлiння як основи подальшої автоматизацiї i комп’ютеризацiї виробництва.

На жаль, при застосуваннi вже вiдомих законiв хiмiчної термодинамiки i кiнетики до мiкробних популяцiй виникають значнi проблеми, якi усклад-нюються ще й тим, що мiкробна клiтина, як все живе, здатна до змiн i поступового пристосування до умов зовнiшнього середовища. Це призводить до хибного механiчного використання вiдомих законiв термодинамiки i кiнетики щодо мiкробiологiчних процесiв i вимагає розробки кiлькiсного опису бiотехнологiчних процесiв. Особливо важливо, щоб цi дослiдження проводилися стосовно рiзних типiв промислових бiореакторiв, що дозволить вибрати i обгрунтувати вимоги до оформлення апаратури, якi б забезпечува-ли вiдтворення досягнутих результатiв у лабораторних умовах.

Значнi можливостi вдосконалення промислової бiотехнологiї базуються на розвитку та iнтенсифiкацiї не тiльки на основнiй стадiї технологiчних процесiв, а й на наступних етапах подiлу, очищення i одержання товарних форм препаратiв. Тут прогрес крупномасштабного мiкробiологiчного синтезу пов’язаний з оптимальним застосуванням i модифiкацiєю уже вiдомих процесiв хiмiчної технологiї: роздiлення суспензiй, випарювання, висушуван-ня, iонний обмiн, кристалiзацiя, екстракцiя i особливо мембраннi методи ультрафiльтрацiї, зворотнього осмосу, дiалiзу. Крім того бiотехнологiя розвиває свої специфiчнi методи видiлення бiологiчно активних речовин, які грунтуються на бiологiчних взаємодiях. Наприклад, важлива перспективна хроматографiя культуральних рiдин на носiях, якi несуть антитiла до антигена, що мiстяться в розчинi, що сприяє видiленню чистого бiопрепарату з розчинiв практично будь-якої концентрацiї та складностi.

Для народного господарства актуальним i вигiдним є створення вироб-ництв, якi б поєднували як бiотехнологiчнi, так i хiмiчнi методи одержання ряду важливих i необхiдних речовин (бiологiчно активних речовин, лiку-вальних засобiв). Можливiсть подальшого розвитку такого напрямку значна. Так, створення напiвсинтетичних антибiотикiв певною мiрою змiнило стратегiю медицини в боротьбi з iнфекцiйними хворобами. Крiм того,  важливою є взаємодiя хiмiчних методiв синтезу амiнокислот з бiотехноло-гiєю роздiлення їх рацематiв тому, що мiкробiологiчний синтез L-амiно-кислот трудоємний i вимагає, як правило, дефiцитної сировини, складний технологiчно, оскільки необхiдно дотримуватися ретельної асептики. Тож розробка ефективного способу 100%-го роздiлення рацемату за допомогою мiкроорганiзмiв або їх ферментних систем в поєднаннi з хiмiчним синтезом сумiшi iзомерiв дала б в певнiй мiрi конкурентноздатний промисловий метод одержання L-амiнокислот в необхiднiй кiлькостi та асортиментi.

       Перед біотехнологією, як важливою галуззю біологічної науки, відкри-ваються значні перспективи як у теоретичному, так і в практичному аспектах. В даний час з’являються нові напрямки біологічного дослідження, які виявляють і вивчають технологічні ознаки живого і можливість їх трансфор-мації в біотехнічні системи. Актуальним і перспективним є застосування біотехнології і для вирішення проблем охорони навколишнього середовища таких як:

       – використання біотехнології для освоєння мінеральних ресурсів;

       – заміна хімічних технологій, що не підлягають циркуляції, на біотехно-логії;

       – інтенсифікація виробництва та використання біодобрив;

       – утилізація біомаси різних видів органічних відходів, видалення та знешкодження забруднюючих речовин;

       – ефективна очистка стічних вод;

       – отримання стійких до стресових чинників рослин для відтворення та відновлення родючості грунтів та продуктивності лісів;

       – збереження біологічної різноманітності.

       Однак, поряд із перспективами, існують і проблеми щодо наслідків практичного застосування досягнень біотехнології. До них належать:     

       - експерименти, пов’язані із заплідненням у пробірці (in vitro) яйцеклітин і отримання дітей з пробірки. Соціально - етичною проблемою є визначення соціально - генетичного статусу таких людей. Мова йде про введення в практику генетичного дослідження людей, створення їх нуклеотидних карт, прагнення використати молекулярно - генетичні карти для визначення професійної орієнтації та зайнятості людей. У зв’язку з можливістю гласності результатів генетичного обслідування у суспільстві може виникнути проблема захисту людей з несприятливими генотипами у плані вибору ними професії, прийняття на роботу, навчання тощо.

       - проведення експериментів, спрямованих на створення за допомогою генетичної інженерії нових видів біологічної (бактеріологічної) зброї. Бактеріологічною зброєю можуть бути культури збудників особливо небезпе-чних хвороб (чуми, холери, туляремії, бруцельозу тощо). Методологія генної інженерії дозволяє створювати резистентні до всіх сучасних лікарських речовин штами бактерій і вірусів, які важко діагностувати. Ці штами характеризуються підвищеною вірулентністю, здатністю довго перебувати у навколишньому середовищі у незміненому вигляді; легко пристосовуються до умов внутрішнього середовища організму людини і тварин викликаючи захворювання з невідомою клінічною картиною. З використанням методів біотехнології на основі токсинів можливим є створення супертоксинів, що здатні до масового знищення живих організмів. Саме тому нові різновидності мікроорганізмів, створені з використання методів біотехнології, до їх впро-вадження в практику ретельно апробовуються і оцінюються з точки зору їх впливу на здоров’я людей і збереження генетичної різноманітності та екологічного балансу у біосфері. Важливе значення набуває розширення і зміцнення міжнародного співробітництва щодо оцінки і регулювання ризику використання біологічних об’єктів, які в умовах відсутності необхідного контролю за їх функціонуванням, можуть впливати на живі системи і людину як біологічна зброя;

       - наукові експертизи та прогнози використання біотехнічних систем.

       Основні проблем охорони навколишнього середовища:

       – використання біотехнології для освоєння мінеральних ресурсів;

       – заміна хімічних технологій, що не підлягають циркуляції, на біотехно-логії;

       – інтенсифікація виробництва та використання біодобрив;

       – утилізація біомаси різних видів органічних відходів, видалення та знешкодження забруднюючих речовин;

       – ефективна очистка стічних вод;

       – отримання стійких до стресових чинників рослин для відтворення та відновлення родючості грунтів та продуктивності лісів;

       – збереження біологічної різноманітності.

       Проблеми наслідків практичного застосування досягнень біотехнології:     

-         експерименти, пов’язані із заплідненням у пробірці (in vitro) яйцеклітин і отримання дітей з пробірки;

       - проведення експериментів, спрямованих на створення за допомогою генетичної інженерії нових видів біологічної (бактеріологічної) зброї;

       - наукові експертизи та прогнози використання біотехнічних систем.

 

 

Контрольнi запитання:

1. Який зв'язок біотехнології з іншими науками. 2. Охарактеризуйте основні періоди розвитку біотехнології. 3. Охарактеризуйте основні етапи розвитку біо-технології. 4. Застосування практичної бiотехнологiї в стародавньому свiтi. 5. Що вивчає бiотехнологiя? 6. Які основні наукові напрямки біотехнології? 7. В яких галузях народного господарства застосовуються наукові розробки біотехнології? 8.  Перспективи розвитку бiотехнологiї.