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 биотехнологических и технических дисциплин, достигнутое к тому времени, нашло свое отражение в биотехнологии:

-  1936 - были решены основные задачи по конструированию, со­зданию и внедрению в практику необходимого оборудования, в том числе главного из них - биореактора (ферментера, аппарата-культи­ватора);

-  1938 - А. Тизелиус разработал теорию электрофореза;

-  1942 - М. Дельбрюк и Т. Андерсон впервые увидели вирусы с помощью электронного микроскопа;

-  1943 - пенициллин произведен в промышленных масштабах;

-  1949 - Дж. Ледерберг открыл процесс конъюгации у Е.colly;

-  1950 - Ж. Моно разработал теоретические основы непрерывно­го управляемого культивирования микробов, которые развили в сво­их исследованиях М. Стефенсон, И. Молек, М. Иерусалимский,
И. Работнова, И. Помозгова, И. Баснакьян, В. Бирюков;

-1951 - М. Тейлер разработал вакцину против желтой лихорадки;

- 1952 - У. Хейс описал плазмиду как внехромосомный фактор наследственности;

-1953 - Ф. Крик и Дж. Уотсон расшифровали структуру ДНК. Это стало побудительным мотивом для разработки способов крупномас­штабного культивирования клеток различного происхождения для получения клеточных продуктов и самих клеток;

-  1959 - японские ученые открыли плазмиды антибиотикоустойчивости (К-фактор) у дизентерийной бактерии;

-  1960 - С. Очоа и А. Корнберг выделили белки, которые могут «сшивать» или «склеивать» нуклеотиды в полимерные цепочки, син­тезируя тем самым макромолекулы ДНК. Один из таких ферментов был выделен из кишечной палочки и назван ДНК-полимераза;

-  1961 - М. Ниренберг прочитал первые три буквы генетического
кода для аминокислоты фенилаланина;

-  1962 - X. Корана синтезировал химическим способом функцио­нальный ген;

-1969 - М. Беквит и С. Шапиро выделили ген 1ас-оперона у Е.colly;

- 1970 - выделен фермент рестриктаза (рестриктирующая эндонуклеаза).

4. Геннотехнический период начался с 1972 г., когда П. Берг создал первую рекомбинацию молекулы ДНК, тем самым показав возмож­ность направленных манипуляцией с генетическим материалом бак­терий.

Естественно, что без фундаментальной работы Ф. Крика и Дж. Уотсона по установлению структуры ДНК было бы невозможно дос­тигнуть современных результатов в области биотехнологии. Выяс­нение механизмов функционирования и репликации ДНК, выделе­ние и изучение специфичных ферментов привело к формированию строго научного подхода к разработке биотехнических процессов на основе генноинженерных манипуляций.

Создание новых методов исследований явилось необходимой пред­посылкой развития биотехнологии в 4-ом периоде:

-  1975 - Г. Келлер и Ц. Мильштейн опубликовали в журнале «Ка1иге» статью «Длительноживущие культуры гибридных клеток, секретирующие антитела предопределенной «специфичности», в которой описали метод получения моноклональных антител;

-  1977 - М. Максам и У. Гилберт разработали метод анализа пер­вичной структуры ДНК путем химической деградации, а Дж. Сэнгер
- путем полимеразного копирования с использованием терминиру­ющих аналогов нуклеотидов;

-  1981 - разрешен к применению в США первый диагностичес­кий набор моноклональных антител;

1982 - поступил в продажу человеческий инсулин, продуцируе­мый клетками кишечной палочки; разрешена к применению в Евро­пейских странах вакцина для животных, полученная по технологии
рекомбинантных ДНК; разработаны генно-инженерные интерфероны, фактор некротизации опухоли, интер-лейкин-2, соматотропный гормон человека и др;

-1986 - К. Мюллис разработал метод полимеразной цепной реак­ции (ПЦР);

-   1988 - началось широкомасштабное производство оборудова­ния и диагностических наборов для ПЦР;

-   1997 - клонировано первое млекопитающее (овечка Долли) из дифференцированной соматической клетки.

Такие выдающиеся отечественные ученые как Л.С. Ценковский, С.Н. Вышелесский, М.В. Лихачев, Н.Н. Гинзбург, С.Г. Колесов, Я.Р. Коляков, Р.В. Петров, В.В. Кафаров и др. внесли неоценимый вклад в развитие биотехнологии.

Наиболее важные достижения биотехнологии в 4-ом периоде:

1. Разработка интенсивных процессов (вместо экстенсивных) на основе направленных, фундаментальных исследований (с продуцен­тами антибиотиков, ферментов, аминокислот, витаминов).

2.     Получение суперпродуцентов.

3.     Создание различных продуктов, необходимых человеку, на ос­нове генноинженерных технологий.

4.     Создание необычных организмов, ранее не существовавших в природе.

5.     Разработка и внедрение в практику специальной аппаратуры биотехнологических систем.

6.     Автоматизация и компьютеризация биотехнологических про­изводственных процессов при максимальном использовании сырья и минимальном потреблении энергии.

Вышеперечисленные достижения биотехнологии реализуются в настоящее время в народное хозяйство и будут внедряться в практи­ку в последующие 10-15 лет. В обозримом будущем будут опреде­лены новые краеугольные камни биотехнологии и нас ждут новые открытия и достижения.

1.3. Биосистемы, объекты и методы в биотехнологии

Одним из терминов в биотехнологии является понятие «биосисте­мы». Обобщенные характеристики биологической (живой) системы могут быть сведены к трём присущим им основным признаками:

1.  Живые системы являются гетерогенными открытыми система­ми, которые обмениваются с окружающей средой веществами и энер­гией.

2.   Эти системы являются самоуправляемыми, саморегулирующими, идактивными, т.е. способными к обмену информацией с окружа­ющей средой для поддержания своей структуры и управления про­цессами метаболизма.

3.   Живые системы являются самовоспроизводящимися (клетки, организмы).

По структуре биосистемы делятся на элементы (подсистемы), свя­занные между собой, и характеризуются сложной организацией (ато­мы, молекулы, органеллы, клетки, организмы, популяции, сообще­ства).

Управление в клетке представляет собой сочетание процессов синтеза молекул белков-ферментов, необходимых для осуществления той или иной функции, и непрерывных процессов изменения активно­сти в ходе взаимодействия триплетных кодов ДНК в ядре и макромо­лекул в рибосомах. Усиление и торможение ферментативной актив­ности происходит в зависимости от количества начальных и конеч­ных продуктов соответствующих биохимических реакций. Благода­ря этой сложной организации биосистемы отличаются от всех нежи­вых объектов.

Поведение биосистемы является совокупностью ее реакций в от­вет на внешние воздействия, т.е. наиболее общей задачей управляю­щих систем живых организмов является сохранение его энергетиче­ской основы при изменяющихся условиях внешней среды.

Н.М. Амосов делит все биосистемы на пять иерархических уров­ней сложности: одноклеточные организмы, многоклеточные организ­мы, популяции, биогеоценоз и биосферу.

Одноклеточные организмы - это вирусы, бактерии и простейшие. Функции одноклеточных - обмен веществом и энергией со средой, рост и деление, реакции на внешние раздражители в виде изменения обмена и формы движения. Все функции одноклеточных поддержива­ются за счет биохимических процессов ферментативной природы и за счет энергетического обмена - начиная от способа получения энер­гии и до синтеза новых структур или расщепления существующих. Единственным механизмом одноклеточных, обеспечивающим их приспособление к окружающей среде, является механизм изменений в отдельных генах ДНК и, как следствие, изменение белков-фермен­тов и изменение биохимических реакций.

Основой системного подхода к анализу структур биосистем является ее представление в виде двух компонентов - энергетической и управляющей.

На рис. 1. показана обобщенная принципиальная схема потоков энергии и информации в любой биосистеме. Основным, элементом является энергетическая составляющая, обозначенная через МС (ме­таболическая система), и управляющая, обозначенная через Р (генетическое и физиологическое управле­ние) и передающая сигналы управле­ния на эффекторы (Э). Одной из главных функций метаболической системы является снабжение биосистем энер­гией.

Рис. 1. Потоки энергии и информации в биосистеме.

Структура биосистем поддерживается механизмами генетическо­го управления. Получая от остальных систем энергию и информацию в виде продуктов обмена веществ (матаболитов), а в период формиро­вания - в виде гормонов, генетическая система управляет процессом синтеза необходимых веществ и поддерживает жизнедеятельность остальных систем организма, причем процессы в этой системе про­текают достаточно медленно.

Несмотря на многообразие биосистем, отношения между их био­логическими свойствами остаются инвариантными для всех организ­мов. В сложной системе возможности к адаптации значительно боль­ше, чем в простой. В простой системе эти функции обеспечиваются малым количеством механизмов, при этом они более чувствительны к изменениям во внешней среде.

Для биосистем характерна качественная неоднородность, прояв­ляющаяся в том, что в рамках одной и той же функциональной био­системы совместно и слаженно работают подсистемы с качественно различными адекватными управляющими сигналами (химическими, физическими, информационными).

Иерархичность биосистем проявляется в постепенном усложнении функции на одном уровне иерархии и скачкообразном переходе к качественно другой функции на следующем уровне иерархии, а также в специфическом построении различных биосистем, их ана­лиза и управления в такой последовательности, что итоговая выход­ная функция нижележащего уровня иерархии входит в качестве эле­мента в вышележащий уровень.

Постоянное приспособление к среде и эволюция невозможны без единства двух противоположных свойств: структурно-функциональ­ной организованности и структурно-функциональной вероятности, стохастичности и изменчивости.

Структурно-функциональная организованность проявляется на всех уровнях биосистем и характеризуется высокой устойчивостью биологического вида и его формы. На уровне макромолекул это свой­ство обеспечивается репликацией макромолекул, на уровне клетки -делением, на уровне особи и популяции - воспроизведением особей путем размножения.

В качестве биологических объектов или систем, которые исполь­зует биотехнология, прежде всего необходимо назвать одноклеточ­ные микроорганизмы, а также животные и растительные клетки. Выбор этих объектов обусловлен следующими моментами:

       1. Клетки являются своего рода «биофабриками», вырабатываю­щими в процессе жизнедеятельности разнообразные ценные продук­ты: белки, жиры, углеводы, витамины, нуклеиновые кислоты, ами­нокислоты, антибиотики, гормоны, антитела, антигены, ферменты, спирты и пр. Многие из этих продуктов, крайне необходимые в жиз­ни человека, пока недоступны для получения «небиотехнологическими» способами из-за дефицитности или высокой стоимости сырья
или же сложности технологических процессов;

   2. Клетки чрезвычайно быстро воспроизводятся. Так, бактериаль­ная клетка делится через каждые 20 - 60 мин, дрожжевая – через каждые 1,5 - 2 ч, животная - через 24 ч, что позволяет за относитель­но короткое время искусственно нарастить на сравнительно дешё­вых и недефицитных питательных средах в промышленных масшта­бах огромные количества биомассы микробных, животных или рас­тительных клеток. Например, в биореакторе ёмкостью 100 м3 за 2 – 3 сут можно вырастить 10'6- 1018 микробных клеток. В процессе жиз­недеятельности клеток при их выращивании в среду поступает боль­шое количество ценных продуктов, а сами клетки представляют со­бой кладовые этих продуктов;

Страницы: 1, 2, 3, 4