Біотехнологія як наука

Біотехнологія як наука

Людство здавна опановувало таку науку, як біотехнологія та вчилося її практично застосовувати. В стародавніх книгах (Біблія, Коран, Тора) згадувалося виробництво вина, хліба, квашеної капусти, медовухи, силосу тощо. Стародавні народи інтуїтивно використовували прийоми та способи виготовлення продуктів, які ми сьогодні відносимо до біотехнології.

Не дивлячись на давність застосування цієї науки, лише у 70-х роках минулого сторіччя біотехнологія, як самостійна наука, сформувалась на базі молекулярної біології, клітинної та генетичної інженерії, широкого використання методів мікробіології, біохімії, біоорганічної хімії, кулінарії та інших наук. Нині біотехнологія є одним з пріоритетних напрямів сучасної науки, які забезпечують прискорення науково — технічного прогресу, а також дійовим засобом подолання сировинних, продовольчих, енергетичних, екологічних, економічних та соціальних проблем. Її використовують при розв’язанні багатьох практичних питань, пов’язаних з підвищенням ефективності охорони здоров’я людей, тварин та рослин, збільшенням продовольчих ресурсів, забезпеченням промисловості сировиною, використанням рентабельних поновлюваних джерел енергії і організації безвідходного виробництва, зменшенням шкідливих антропогенних впливів на довкілля та в інших галузях діяльності людини.

Отже Біотехнологія — (ВйпфечнплпгЯб, від грецького bios — життя, techne — мистецтво, майстерність і logos — слово, навчання) це напрям біології, який вивчає застосування біологічних об'єктів (мікроорганізмів, культур клітин і тканин рослинного та тваринного походження, ферментних препаратів і інших біологічно активних речовин) та хіміко-біологічних процесів з метою отримання різноманітної продукції для вирішення народногосподарських та інших проблем людства.

Відповідно до визначення Європейської федерації біотехнологів (ЄСБ, 1984) біотехнологія базується на інтегральному використанні біохімії, мікробіології, молекулярної біології, клітинної та генетичної інженерії з метою промислової реалізації властивостей мікроорганізмів, культур клітин і тканин. Уже в самому визначенні предмета відображено його місце розташування як природного, завдяки чому результати фундаментальних досліджень у сфері біологічних, хімічних і технічних дисциплін набувають прикладного значення.

Біотехнологія — це наука, яка має давнє коріння, але молодий стовбур.

Біотехнологія, як наука, є більш зрілим етапом у розвитку біології, яка нині і в майбутньому займатиметься створенням цілого з елементів, вивчених раніше. (Глеба Ю., 2002)

Розвиток біотехнології пов’язаний із прогресом науки та прикладним використанням напрямів біотехнології.

Могутнім підґрунтям біотехнології є встановлення Ейвері О. у 1944 році біологічної ролі дезоксирибонуклеїнових (ДНК) кислот. Було доведено, що ця полімерна хімічна сполука є носієм спадкової інформації. Згодом Кріком Ф., Уотсоном Д. у 1953 році було зроблено епохальне відкриття: встановлено структурну організацію ДНК у вигляді спіралі. Згодом були виявлені інші структури організації цих кислот. Завдяки цій події наступні кроки, що були здійснені у напрямку з’ясування біохімічних механізмів функціонування ДНК, привели до повного розуміння молекулярних основ біологічної специфічності, що привело до формування чіткого нукового підходу до розробки біотехнологічних процесів на основі генно-інженерних робіт.

Значний поштовх у розвитку біотехнології пов’язаний з видатними дослідженнями великого французького вченого Луї Пастера (1822−1895) — основоположника наукової мікробіології. Він розкрив мікробну мрироду бродіння, довів можливість життя у без кисневих умовах, експериментально спростував уявлення про самовільне зародження живих істот, створив наукові основи вакцинопрофілактики (випадково: за невдач у роботі, він залишив інфіковані матеріали у термостаті і поїхав відпочивати на 2 тижні. Коли повернувся — згадав про матеріали і провів випробування на тваринах), запропонував метод стерилізації, названий його ім'ям, — пастеризація.

Починаючи з другої третини 20 — го століття розпочалось впровадження крупномасштабного герметизованого обладнання, яке забезпечує проведення процесів у стерильних умовах, Особливо потужний поштовх у розвитку промислового біотехнологічного обладнання був відмічений у період становлення і розвитку антибіотиків (В один з осінніх днів 1928 р. у маленькій лабораторії при шпиталі Св. Марії у Лондоні мікробіолог Александер Флемінг (1881−1955) досліджував різні культури гнойотворних бактерій. Деякі з чашок Петрі вчений заселив бактеріями ще до літніх канікул, і зараз у них були чітко видні колонії бактерій. Проте де-не-де, до відчаю Флемінга, поселились й цвілеві гриби. В одній з чашок Петрі виросла «розкішна» колонія плісняви, при чому її оточила зона вільна від бактерій. Стає очевидним, що цвілеві гриби перешкоджають розповсюдженню бактерій. Флемінг обережно відібрав пробу плісняви з цієї чашки й помістив її на нове поживне середовище, котре попередньо стерилізувалась шляхом нагрівання. Так була отримана ще одна колонія цвілевих грибів. Потім дослідник «висадив» навколо різні види бактерій:стрептококки, стафілококи та збудники сибірської виразки й дифтерії. Всі вони не розмножувались у безпосередній близкості до гриба, що було у вищій мірі цікавим відкриттям. Вчений встановив, що «його» гриб — це зелена кистеподібна пліснява Penicillium notatum. Потім Флемінґ став вирощувати цей гриб у об'ємистому сосуді з рідким поживним розчином. Незабаром зеленкуватий міцелій покрив поверхню цього розчину, котрий через декілька діб забарвився у золотисто-жовтий колір.

У нових дослідах з бактеріями було знайдено, що відділений від гриба поживний розчин так само пригнічував розмноження бактерій. Отже, ця пліснява, по всій вірогідності, виділяла в оточувальне середовище якусь «ворожу» бактеріям речовину, названу згодом Флемінгом, згідно походженню — пеніциліном. Вчений і не підозрював, що зробив дуже важливе відкриття, він навіть не спробував отримати пеніцилін у чистому вигляді, й використати його для боротьби з хвороботворними бактеріями, хоча б на організмах лабораторних тварин. Мікробіолог навіть у 1940 р. говорив, що «пеніциліном не варто займатись». Але на цей час це вже не залежало від його волі. Друга світова обернулась катастрофою мільйонів поранених й покалічених, котрих не могли врятувати звичайні ліки і навіть поширені тоді сульафаниламіди. Флемінг, у 1929 р. опублікував свою статтю, у котрій описав культури пеніцилу, але після того практично забув про свою працю.

У1936 р. його колега по шпиталю Св. Марії показав згубну дію пронтозіла на стрептокок — ще один гноєтворний мікроорганізм. Флемінг з ентузіазмом прийнявся за дослідження нових ліків. Пеніциліном він не цікавився. Цю проблему почали вивчати Гавард Волтер Флорі (1898−1968) з Оксфорду та його молодий помічник Ернест Борис Чейн (1906;1979). У квітні 1933 р. працюючи у лабораторії Флорі що в Оксфорді, Чейн запропонував старшому колезі «подивитись», що таке пеніцилін з хімічної точки зору. Чейна вабила його біохімічна складність, Флорі - дія на хвороботворний стафілокок. У 1938 р. Чейн приступив до досліджень, але спочатку «результати були не обнадійливі». Потім йому вдалось кардинально вдосконалити експериментальну установку, у результаті чого вчений отримав достатню кількість цінного екстракту. Він попросив перевірити новий продукт на токсичність. 25 травня 1940 р. Х. Флорі провів перші випробовування пеніциліну на тваринах. Ці досліди показали пречудові результати та величезний потенціал пеніциліну у боротьбі з інфекціями. Чейн очистив пеніцилін й встановив його молекулярну структуру. Він також почав вимагати заяви на патент. Проте Флорі відмовився це робити, рахуючи патентування в області біомедичних досліджень неетичними. Помилковість своїх міркувань він зрозумів у найближчому майбутньому. У 1941 р. Флорі відправляється до США з колбою отриманого у лабораторії пеніциліну у пошуках комерційної допомоги, залишивши Чейна у Англії, що зазнавала бомбардування. Тут у Лос-Анджелесі, відбулося й перше випробувуння пеніциліну. Ним лікували пораненого у перестрілці поліцейського, котрого все ж таки не вдалося врятувати, тому що закінчився сам препарат: його було 3 грами. Після цього Х. Флорі відправився до СРСР, де професор З.В. Єрмольєва створила власний пеніцилін (крустозин), що виявився навіть кращим за англійський.

Після вступу США у війну на боці союзників англійці передали їм всю інформацію, що стосувалася пеніциліну, безплатно, прагнучи тільки до того, щоб цей препарат почали виготовляти за океаном і у великих кількостях. Спливаюча кров’ю Англія не могла дозволити собі створювати абсолютно нову й дорогу гілку промисловості. Випадки виліковування від бактеріальних інфекцій сприймалися як ледь не диво. Але виробництво залишалось все таким же складним й дорогим. Для того щоб вилікувати одного пацієнта, потрібно було приблизно 1000 л «грибного бульйону». У зв’язку з цим необхідно було вирішити три проблеми: знайти більш продуктивний вид плісняви; навчитися культивувати її у величезній кількості; створити метод отримування пеніциліну з поживного розчину у чистому вигляді.). У цей час були вирішені основні завдання з конструювання, створення і впровадження у практику біопрепаратів, які використовуються і нині (на данний момент відомо близько 20 тис. пеніцилінів та 10 тис. цефалоспоринів природного та напівприродного походження і більше 100 тис. інших синтетичних антибіотиків).

Одним з найвидатніших досягнень біотехнології на початку нового 21 — го сторіччя стало завершення створення детальної карти генома людини, що дозволяє краще зрозуміти взаємозв'язок людини з іншими організмами нашої планети, збагнути, що робить людей схожими один на одного, озброїть нас більш досконалими підходами для з’ясування причин виникнення хвороб і пошуку нових методів лікування.

Викликає подив той факт, що довжина послідовності нуклеотидів у ДНК людини лише втричі перевищує цей параметр у черв’яка Caenorhabditis elegans і водночас свідчить про складність механізмів контролю розвитку, які необхідно вивчати для пояснення такого складного явища, як поява людини (Дей П. 2002). Упродовж 65 останніх років, які охоплюють час відкриття Ейворі О., крім згаданих вище, в біології зроблено надзвичайно важливі відкриття:

— розроблено технологію одержання рекомбінантних молекул ДНК;

— розроблено гібридомну технологію;

— розроблено секвенування геномів бактерій, дріжджів, нематоди, рослинного організму арабідопсиса та людини.

Зроблено перші кроки генної терапії та успішні спроби клонування тварин, конструювання штучних хромосом, розроблено умови і створено можливості для перенесення генів, що дозволяє долати видові бар'єри, які обмежують можливості класичної селекції, розшифровано структуру нуклеосоми і комплексу РНК — полімерази.

Понад 35 років тому розроблено методи локалізації генів з елементами, які контролюють експресію, а ще важливішим є розробка прийомів перенесення цих елементів будь — якому мікроорганізму, або рослині, що дає можливість модифікувати організм таким чином, щоб одержати нові лінії зі зміненими властивостями, які відповідають нашим бажанням. У свою чергу функціонування модифікованого організму дозволить отримати інформацію про поведінку в геномі конкретного гена, тобто ідентифікувати функції генів (функціональна геноміка), про взаємодію генів і контролюючих експресію цих генів послідовностей, що дає можливість використати нові можливості для забезпечення потреб людства.

Важливим досягненням, яке дозволяє здійснювати генно-інженерні маніпуляції, є відкриття ферментів, за участю яких здійснюються операції «розрізання» і «зшивання» фрагментів ДНК.

Вражаючим є швидкість і розмах, з якими наукові дослідження трансформуються у процес одержання нових фармацевтичних препаратів, або сільськогосподарських продуктів. Ліки, одержані завдяки біотехнології, наприклад, інсулін, соматотропний гормон, інтерферони, або вакцина проти поліомієліту, дають можливість створення більш ефективних препаратів з меншими побічними діями, оскільки вони будуть спрямовані на специфічні молекули — мішені, які зазнали змін у процесі захворювання.

У сільському господарстві вражає швидкість сприйняття американськими фермерами генетично модифікованих (ГМ) культур сільськогосподарських рослин для виробництва продуктів харчування і підвищення їх якості. Яскравим прикладом є розробка біотехнології синтезу вітамінів групи, А у «золотому рисі». Близько двох третин усіх продовольчих товарів торгової мережі США містять ГМ-інгрідієнти. Однак у багатьох розвинених країнах (зокрема країнах ЄС) використання ГМ-продукції зустрічає сильну опозицію. Це пов’язано із змінами в людському організмі викликаних споживанням ГМ-продуктів. Нещодавно групою вчених були проведені дослідження на тваринах з використанням ГМ-інгрідієнтів, які продемонстрували втрату здатності до розмноження з третього — п’ятого поколінь та загальну слабкість нащадків. Однак ці недоліки в найближчому майбутньому будуть усунені. Натомість діабетики, не задумуючись, використовують для лікування інсулін, одержаний завдяки модифікованим організмам.

Використання генетичної інженерії дасть можливість ГМ-рослини не тільки для виробництва продуктів харчування, але й для вирішення екологічних проблем — для очищення забруднених хімічними речовинами і токсичними металами територій (фіторемедітація) та використання ГМ-рослин як фабрик, або реакторів для виробництва фармацевтичних білків (вакцини, сироватки) та інших біологічно активних речовин.

Встановлено можливість елімінації із забруднених ґрунтів кадмію і свинцю за допомогою окремої лінії індійської гірчиці Brassica Juncea); за участю анаеробних і аеробних мікроорганізмів здійснювати утилізацію пестицидів, алканів, бензолу, толуолу, ксилолу, поліциклічних ароматичних вуглеводів.

Внаслідок проведених глибоких фундаментальних генно-інженерних досліджень було доведено можливість переміщення генів від одної таксономічної групи живих організмів до іншої попри їх статеву несумісність. Це одна із суттєвих переваг біотехнологічного підходу для прикладних питань, яка дозволяє гени, що цікавлять дослідника, з елементами, які контролюють їх експресію, перенести з одного до іншого організму і забезпечити їх експресію. Так, джерелом генів засухоі холодостійкості рослин можуть бути гени тварин, або бактерій.

З урахуванням таких унікальних властивостей хлоропластів, як їх спроможність набагато інтенсивніше, ніж E. Coli, або рослини з перенесеними в їх ядра генами, синтезувати і накопичувати білки, вчені працюють над розробкою відповідної технології (Малига П., 2002)

Створено нові методи і технології генетичної інженерії рослин для розробки технології виробництва фармацевтичних засобів, перш за все антитіл (Глеба Ю., 2002), експресії соматотропного гормону людини в хлоропластах тютюну, фармацевтичних і діагностичних препаратів та оральних вакцин рослинами (Малига П., 2002).

Існує думка про можливість отримання біологічно активних речовин шляхом трансформації рослин вірусами (Блюм Я., 2002). Рослини тютюну використовуються для виробництва вакцинального препарату, який має бути специфічним для кожного хворого на неходжкиновську лімфому (різновидність раку), шляхом перенесення за допомогою вірусного вектора гена, що асоційований із лімфомою пацієнта, для синтезу специфічного білка. При цьому слід зазначити, що вартість одержаного таким чином препарату є набагато нижчою, ніж при використанні з цією метою культур клітин ссавців (Ервін Б., 2002).

Використання генів, що кодують біосинтез білкової оболонки вірусів, та вбудовування їх в геном рослини забезпечують ефективний захист від шкідників (Кентлі М., 2002).

Хоч і Україна відстає від розвинених країн, вона має величезний потенціал у біотехнології. Для використання досягнень біотехнології в галузях агропромислового комплексу України необхідна підготовка висококваліфікованих фахівців з молекулярної біології, генетичної і клітинної інженерії для забезпечення наукоємного виробництва та відповідне фінансування. Вирішення першого питання потребує забезпечення навчального процесу необхідною літературою.

Протягом останніх 15−20 років минулого століття проходив бурхливий розвиток біотехнології, визначались сфери застосування конкретних результатів технологічних розробок.

Біотехнологія — як наука поділяється на дві частини:

— загальну, яка вивчає основи клітинної та генної інженерії, як метод конструювання, спрямований на одержання нової генетичної інформації за допомогою гібридизації і реконструкції клітин, створення гібридних (рекомбінантних) ДНК, а також практичні напрями використання біологічних об'єктів для отримання біологічно активних речовин.

— Спеціальну, яка вивчає специфіку використання біотехнологічних об'єктів, процесів та продуктів та їх застосування, як в наукових цілях так і в промисловому виробництві.

Біотехнологія — (ВйпфечнплпгЯб, від грецького bios — життя, techne — мистецтво, майстерність і logos — слово, навчання) це напрям біології, який вивчає застосування біологічних об'єктів (мікроорганізмів, культур клітин і тканин рослинного та тваринного походження, ферментних препаратів і інших біологічно активних речовин) та хіміко — біологічних процесів з метою отримання різноманітної продукції для вирішення народногосподарських та інших проблем людства.

До хіміко-біологічних процесів належать ті з них, в яких використовують біологічні об'єкти різної природи (мікробної, рослинної, тваринної), наприклад, при виробництві продукції різного призначення — антибіотиків, вакцин, ферментів, кормового і харчового білку, горманів, амінокислот, біогазу, органічних добрив тощо.

Об'єкти біотехнології дуже різноманітні й діапазон їх розповсюджується від організованих частин (вірусів) до людини (схема 1)

Біо'обєкти характеризуються такими показниками, як рівень структурної організації, здатність до розмноження, наявність, або відсутність власного метаболізму при культивуванні у належних умовах. Що стосується характеру біотехнологічних об'єктів, то під цим слід розуміти їх структурну організацію. Вони можуть бути молекулами (ферменти, імуномодулятори, нуклеозиди, пептиди, тощо), організованими частинками (віруси, фаги), одноклітинними (бактерії, дріжджі, найпростіші), і багатоклітинними особинами (вищі гриби, рослині тканини, одношарові культури клітин ссавців), цілими організмами тварин і рослин. Але навіть при використанні біомолекули як об'єкта біотехнології її початковий біосинтез здійснюється у більшості випадків відповідними клітинами.

Таким чином, незалежно від систематичного положення об'єкта на практиці використовують, або природні організовані частки (фаги, віруси) і клітини з природною генетичною інформацією, або клітини з штучно заданою генетичною інформацією, тобто у будь-якому випадку використовують клітини — чи то мікроорганізм, рослина, тварина, чи то людина.

Нині більшість об'єктів біотехнології становлять мікроби, світ яких дуже великий і різноманітний (схема 2)

Основою сучасного біотехнологічного виробництва є мікробіологічний синтез, тобто синтез різноманітних речовин за допомогою мікроорганізмів. Об'єкти рослинного і тваринного походження ще не знайшли широкого розповсюдження через їх високу вимогливість до умов культивування, що значно збільшує витрати.

Слід врахувати, що різні об'єкти вимагають різних умов культивування, невиконання яких призводить до невдач, або до значних збитків.

Головною ланкою біотехнологічних процесів і науки є клітина. Саме в ній відбувається головне (синтез продуктів, зміни при дослідах). За влучним висловом Овочнікова Ю.А. у 1985 році, клітина — це мініатюрний хімічний завод, який працює з колосальною продуктивністю, з граничною узгодженістю і за заданою програмою. В ній щосекундно синтезуються сотні найскладніших сполук, включаючи гігантські полімери — білки.

Тут наведена узагальнена схема одержання біопродукції (схема 3).

Методи біотехнології

Біотехнології притаманні свої специфічні методи. Це крупномасштабне культивування і вирощування клітинних культур рослин і тварин в особливих умовах. Біотехнологічні методи культивування об'єктів виконуються у спеціальному обладнанні, наприклад, у ферментах вирощують гриби і бактерії при одержанні антибіотиків.

Інші методи у біотехнології є спільними, наприклад, з методами мікробіології, біохімії й інших науках.

Відмінністю методів біотехнології є те, що вони повинні виконуватись в асептичних умовах, тобто недопущення контамінації об'єктів сторонніми мікроорганізмами, особливо патогенними.

Патогенні види об'єктів становлять небезпеку для навколишнього середовища та працівників, тому при використанні таких потрібно суворо дотримуватись правил з техніки безпеки.

Мета і завдання біотехнології

Першочерговими завданнями біотехнології є створення:

Ю Нових біологічно активних речовин і лікарських препаратів для медицини (інтерферонів, інсуліну, антитіл, вакцин, тощо) для профілактики, діагностики і терапії людей і тварин;

Ю Засобів захисту рослин від хвороб і шкідників, бактеріальних добрив і регуляторів росту рослин та власне нових і кращих гібридів рослин;

Ю Цінних кормових добавок та біологічно активних речовин (кормового білка, амінокислот, ферментів, вітамінів, концентратів тощо);

Ю Безвідходних і екологічно безпечних технологій утилізації і біоконверсії відходів для одержання енергоносіїв (біогаз), високоякісного органічного добрива та кормових добавок;

Ю Удосконалення та оптимізація обладнання для біотехнологічного процесу;

Ю Підвищених показників біопроцесів.

На шляху поставлених завдань біотехнологію чекають значні труднощі, пов’язані з складною організації живого, оскільки любий об'єкт є динамічно-статичною системою, зміни в якій можуть призвести до незадовільних результатів.

Але не треба забувати, що «70% всіх відкриттів у біотехнології - помилки» (Новицька О. 2011) і з кожним роком вони більш небезпечні.

Список літератури

біотехнологія біологічний продукція хімічний

1. Артамонов В. І. Біотехнологія — агропромислового комплексу. — М.: Наука, 1989. — 160 с.

2. Актуганов Г. Э., Биотехнология. — 2003. — № 6 — С. 3−9;

3. Биотехнология в современном мире: польза и риски/ Под редакцией Блюма Я. Б. // Цитология и генетика. — 2002. — № 1. — С. 59−80;

4. За ред. Герасименка В. Г. Біотехнологія. — Київ «фірма „Інкос“». — 2006.