История развития, достижения в биотехнологиях

ВВЕДЕНИЕ

1.1. Общие положения

Законом Российской Федерации «О ветеринарии» определены ос­новные задачи ветеринарной медицины «в области научных знаний и практической деятельности, направленные на предупреждение бо­лезней животных и их лечение, выпуск полноценных и безопасных в ветеринарном отношении продуктов животноводства и защиту насе­ления от болезней, общих для человека и животных».

Решение целого ряда этих задач осуществляется методами био­технологии.

Определение биотехнологии в довольно полном объеме дано Ев­ропейской биотехнологической федерацией, основанной в 1978 г. По этому определению биотехнология - это наука, которая на основе применения знаний в области микробиологии, биохимии, генетики, генной инженерии, иммунологии, химической технологии, приборо- и машиностроения использует биологические объекты (микро­организмы, клетки тканей животных и растений) или молекулы (нук­леиновые кислоты, белки, ферменты, углеводы и др.) для промыш­ленного производства полезных для человека и животных веществ и продуктов.

До тех пор, пока всеобъемлющий термин «биотехнология» не стал общепринятым, для обозначения наиболее тесно связанных с биоло­гией разнообразных технологий использовали такие названия, как прикладная микробиология, прикладная биохимия, технология фер­ментов, биоинженерия, прикладная генетика и прикладная биоло­гия.

Использование научных достижений в биотехнологии осуществ­ляется на самом высоком уровне современной науки. Только биотех­нология создает возможность получения разнообразных веществ и соединений из сравнительно дешевых, доступных и возобновляе­мых материалов.

В отличие от природных веществ и соединений, искусственно син­тезируемые требуют больших капиталовложений, плохо усваивают­ся организмами животных и человека, имеют высокую стоимость.

Биотехнология использует микроорганизмы и вирусы, которые в процессе своей жизнедеятельности вырабатывают естественным пу­тем необходимые нам вещества - витамины, ферменты, аминокис­лоты, органические кислоты, спирты, антибиотики и др. биологи­чески активные соединения.

Живая клетка по своей организационной структуре, слаженности процессов, точности результатов, экономичности и рациональности превосходит любой завод.

В настоящее время микроорганизмы используются, в основном, в трех видах биотехнологических процессов:

- для производства биомассы;

- для получения продуктов метаболизма (например, этанола, ан­тибиотиков, органических кислот и др.);

- для переработки органических и неорганических соединений как природного, так и антропогенного происхождения.

Главная задача первого вида процессов, которую сегодня призва­но решать биотехнологическое производство - ликвидация белково­го дефицита в кормах сельскохозяйственных животных и птиц, т.к. в белках растительного происхождения имеется дефицит аминокис­лот и, прежде всего, особо ценных, так называемых незаменимых.

Основным направлением второй группы биотехнологических про­цессов в настоящее время является получение продуктов микробно­го синтеза с использованием отходов различных производств, вклю­чая пищевую, нефте- и деревоперерабатывающую промышленности и т.д.

Биотехнологическая переработка различных химических соеди­нений направлена, главным образом, на обеспечение экологического равновесия в природе, переработку отходов деятельности человече­ства и максимальное снижение негативного антропогенного воздей­ствия на природу.

В промышленном масштабе биотехнология представляет индуст­рию, в которой можно выделить следующие отрасли:

- производство полимеров и сырья для текстильной промышлен­ности;

- получение метанола, этанола, биогаза, водорода и использова­ние их в энергетике и химической промышленности;

- производство белка, аминокислот, витаминов, ферментов и т.д. путем крупномасштабного выращивания дрожжей, водорослей, бак­терий;

- увеличение продуктивности сельскохозяйственных растений и животных;

- получение гербицидов и биоинсектицидов;

- широкое внедрение методов генной инженерии при получении новых пород животных, сортов растений и выращивания тканевых  клеточных культур растительного и животного происхождения;

- переработка производственных и хозяйственных отходов, сточ­ных вод, изготовление компостов с применением микроорганизмов;

- утилизация вредных выбросов нефти, химикатов, загрязняющих почву и воду;

- производство лечебно-профилактических и диагностических пре­паратов (вакцин, сывороток, антигенов, аллергенов, интерферонов, антибиотиков и др.).

Практически все биотехнологические процессы тесно связаны с жизнедеятельностью различных групп микроорганизмов - бактерий, вирусов, дрожжей, микроскопических грибов и т.п., и имеют ряд ха­рактерных особенностей:

1. Процесс микробного синтеза, как правило, является частью мно­гостадийного производства, причем целевой продукт стадии биосин­теза часто не является товарным и подлежит дальнейшей переработ­ке.

2.   При культивировании микроорганизмов обычно необходимо под­держивать асептические условия, что требует стерилизации оборудо­вания, коммуникаций, сырья и др.

3.  Культивирование микроорганизмов осуществляют в гетероген­ных системах, физико-химические свойства которых в ходе процесса могут существенно изменяться.

4.  Технологический процесс характеризуется высокой вариабель­ностью из-за наличия в системе биологического объекта, т.е. популя­ции микроорганизмов.

5.  Сложность и многофакторность механизмов регуляции роста микроорганизмов и биосинтеза продуктов метаболизма.

6.  Сложность и в большинстве случаев отсутствие информации о качественном и количественном составе производственных питатель­ных сред.

7.  Относительно низкие концентрации целевых продуктов.

8.  Способность процесса к саморегулированию.

9.  Условия, оптимальные для роста микроорганизмов и для био­синтеза целевых продуктов, не всегда совпадают.

Микроорганизмы потребляют из окружающей среды вещества, растут, размножаются, выделяют жидкие и газообразные продукты метаболизма, тем самым реализуя те изменения в системе (накопле­ние биомассы или продуктов метаболизма, потребление загрязняю­щих веществ), ради которых проводят процесс культивирования. Сле­довательно, микроорганизм можно рассматривать как центральный элемент биотехнологической системы, определяющий эффективность ее функционирования.

1.2. История развития биотехнологии

За последние 20 лет биотехнология, благодаря своим специфичес­ким преимуществам перед другими науками, совершила решитель­ный прорыв на промышленный уровень, что в немалой степени обя­зано также развитию новых методов исследований и интенсифика­ции процессов, открывших ранее неизвестные возможности в полу­чении биопрепаратов, способов выделения, идентификации и очист­ки биологически активных веществ.

Биотехнология формировалась и эволюционировала по мере фор­мирования и развития человеческого общества. Ее возникновение, становление и развитие условно можно подразделить на 4 периода.

1. Эмпирический период или до­исторический - самый длительный, охватывающий примерно 8000 лет, из которых более 6000 лет до н.э. и около 2000 лет н.э. Древние народы того времени интуитивно использовали приемы и способы изготовления хлеба, пива и некоторых других продуктов, которые теперь мы относим к разряду биотехнологических.

Известно, что шумеры - первые жители Месопотамии (на терри­тории современного Ирака) создали цветущую в те времена цивили­зацию. Они выпекали хлеб из кислого теста, владели искусством го­товить пиво. Приобретенный опыт передавался из поколения в поко­ление, распространялся среди соседних народов (ассирийцев, вави­лонян, египтян и древние индусов). В течение нескольких тысячеле­тий известен уксус, издревле приготавливавшийся в домашних усло­виях. Первая дистилляция в виноделии осуществлена в XII в.; водку из хлебных злаков впервые получили в XVI в.; шампанское известно с XVIII в.

К эмпирическому периоду относятся получение кисломолочных продуктов, квашеной капусты, медовых алкогольных напитков, си­лосование кормов.

Таким образом, народы исстари пользовались на практике био­технологическими процессами, ничего не зная о микроорганизмах. Эмпиризм также был характерен и в практике использования полез­ных растений и животных.

В 1796 г. произошло важнейшее событие в биологии - Э. Дженнером были проведены первые в истории прививки человеку коровьей оспы.

2. Этиологический период в развитии биотехнологии охватывает вторую половину XIX в. и первую треть XX в. (1856 - 1933 гг.). Он связан с выдающимися исследованиями великого французского ученого Л. Пастера (1822 - 95) - основопо­ложника научной микробиологии.

Пастер установил микробную природу брожения, доказал возмож­ность жизни в бескислородных условиях, создал научные основы вакцинопрофилактики и др.

В этот же период творили его выдающиеся ученики, сотрудники и коллеги: Э. Дюкло, Э. Ру, Ш.Э. Шамберлан, И.И. Мечников; Р. Кох, Д. Листер, Г. Риккетс, Д. Ивановский и др.

В 1859 г. Л. Пастер приготовил жидкую питательную среду, Р. Кох в 1881 г. предложил метод культивирования бактерий на стерильных ломтиках картофеля и на агаризованных питательных средах. И, как следствие этого, 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.).

Среди достижений 2-й периода особо стоит отметить следующие:

-   1856 - чешский монах Г. Мендель открыл законы доминирова­ния признаков и ввел понятие единицы наследственности в виде дис­кретного фактора, который передается от родителей потомкам;

-   1869 - Ф. Милер выделил «нуклеин» (ДНК) из лейкоцитов;

-   1883 - И. Мечников разработал теорию клеточного иммунитета;

-   1984 - Ф. Леффлер изолировал и культивировал возбудителя дифтерии;

-   1892 - Д.Ивановский открыл вирусы;

-   1893 - В. Оствальд установил каталитическую функцию ферментов;

-   1902 - Г. Хаберланд показал возможность культивирования кле­ток растений в питательных растворах;

-   1912 - Ц. Нейберг раскрыл механизм процессов брожения;

-1913 - Л. Михаэлис и М. Ментен разработали кинетику фермен­тативных реакций;

-   1926 - X. Морган сформулировал хромосомную теорию наслед­ственности;

-   1928 - Ф. Гриффит описал явление «трансформации» у бакте­рий;

- 1932 - М. Кнолль и Э. Руска изобрели электронный микроскоп. В этот период было начато изготовление прессованных пищевых

дрожжей, а также продуктов их метаболизма - ацетона, бутанола, лимонной и молочной кислот, во Франции приступили к созданию биоустановок для микробиологической очистки сточных вод.

Тем не менее, накопление большой массы клеток одного возраста оставалось исключительно трудоемким процессом. Вот почему тре­бовался принципиально иной подход для решения многих задач в области биотехнологии.

3. Биотехнический период - начался в 1933 г. и длился до 1972 г.

В 1933 г. А. Клюйвер и А.Х. Перкин опубликовали работу «Мето­ды изучения обмена веществ у плесневых грибов», в которой изло­жили основные технические приемы, а также подходы к оценке по­лучаемых результатов при глубинном культивировании грибов. Началось внедрение в биотехнологию крупномасштабного герметизи­рованного оборудования, обеспечивающего 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 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;

     3. Биосинтез сложных веществ, таких как белки, антибиотики, антигены, антитела и др. значительно экономичнее и технологичес­ки доступнее, чем химический синтез. При этом исходное сырьё для биосинтеза, как правило, проще и доступнее, чем сырьё для других видов синтеза. Для биосинтеза используют отходы сельскохозяй­ственной, рыбной продукции, пищевой промышленности, рас­тительное сырьё (молочная сыворотка, дрожжи, древесина, меласса и др.)

4. Возможность проведения биотехнологического процесса в промышленных масштабах, т.е. наличие соответствующего техно­логического оборудования, доступность сырья, технологии перера­ботки и т.д.

Таким образом, природа дала в руки исследователям живую сис­тему, содержащую и синтезирующую уникальные компоненты, и, в первую очередь, нуклеиновые кислоты, с открытием которых и на­чала бурно развиваться биотехнология и мировая наука в целом.

Объектами биотехнологии являются вирусы, бактерии, грибы, протозойные организмы, клетки (ткани) растений, животных и чело­века, вещества биологического происхождения (например, ферменты, простагландины, лектины, нуклеиновые кислоты), молекулы.

В этой связи можно сказать, что объекты биотехнологии относят­ся либо к микроорганизмам, либо к растительным и животным клет­кам. В свою очередь организм можно охарактеризовать как систему экономного, сложнейшего, компактного, целенаправленного синте­за, устойчиво и активно протекающего при оптимальном под­держании всех необходимых параметров.

Методы, применяемые в биотехнологии, определяются двумя уровнями: клеточным и молекулярным. Тот и другой определяются биобъектами.

В первом случае дело имеют с бактериальными клетками (для получения вакцинных препаратов), актиномицетов (при получении антибиотиков), микромицетов (при получении лимонной кислоты), животных клеток (при изготовлении противовирусных вакцин), кле­ток человека (при изготовлении интерферона) и др.

Во втором случае дело имеют с молекулами, например с нуклеи­новыми кислотами. Однако в конечной стадии молекулярный уро­вень трансформируется в клеточный. Клетки животных и растений, микробные клетки в процессе жизнедеятельности (ассимиляции и диссимиляции) образуют новые продукты и выделяют метаболиты разнообразного физико-химичес­кого состава и биологического действия.

При росте клетки в ней осуществляется огромное число катали­зируемых ферментами реакций, в результате которых образуются промежуточные соединения, которые в свою очередь превращаются в структуры клетки. К промежуточным соединениям, к строитель­ным «кирпичикам» относятся 20 аминокислот, 4 рибонуклеотида, 4 дезоксирибонуклеотида, 10 витаминов, моносахара, жирные кисло­ты, гексозамины. Из этих «кирпичиков» строятся «блоки»: пример­но 2000 белков, ДНК, три типа РНК, полисахариды, липиды, фер­менты. Образующиеся «блоки» идут на строительство клеточных структур: ядро, рибосомы, мембрана, клеточная стенка, митохонд­рии, жгутики и пр., из которых состоит клетка.

На каждой стадии «биологического синтеза» клетки можно опре­делить те продукты, которые могут быть использованы в биотехно­логии.

Обычно продукты одноклеточных делят на 4 категории:

а) сами клетки как источник целевого продукта. Например, выра­щенные бактерии или вирусы используют для получения живой или убитой корпускулярной вакцины; дрожжи, как кормовой белок или основу для получения гидролизатов питательных сред и т.д.;

б) крупные молекулы, которые синтезируются клетками в процессе выращивания: ферменты, токсины, антигены, антитела, пептидогликаны и др.;

в) первичные метаболиты - низкомолекулярные вещества (менее 1500 дальтон), необходимые для роста клеток, такие как аминокис­лоты, витамины, нуклеотиды, органические кислоты;

г) вторичные метаболиты (идиолиты) - низкомолекулярные со­единения, не требующиеся для роста клеток: антибиотики, алкалои­ды, токсины, гормоны.

Биотехнология использует эту продукцию клеток как сырьё, ко­торое в результате технологической обработки превращается в ко­нечный, пригодный для использования продукт.

Все микрообъекты, используемые в биотехнологии, относят к акариотам, про- или к эукариотам. Из группы эукариот, например, опе­рирует в качестве биообъектов клетками простейших, водорослей и грибов, из группы прокариот - клетками сине-зеленых водорослей и бактерий, акариот – вирусами.

Биообъекты из микромира варьируют в размерах от нанометров (вирусы, бактериофаги) до миллиметров и сантиметров (гигантские водоросли) и характеризуются относительно быстрым темпом раз­множения. В современной Фарминдустрии используется гигантская гамма биообъектов, группировка которых весьма сложна и лучше всего может быть выполнена на основе принципа их соразмерности.

Огромная совокупность биобъектов не исчерпывает всей элемен­тной базы, которой оперирует биотехнология. Последние успехи биологии и генной инженерии привели к появлению совершенно новых биообъектов – трансгенных  (генетически-модифицированных) бактерий, вирусов, грибов, клеток растений, животных, человека и химер.

Несмотря на то, что представители всех надцарств содержат ге­нетический материал, различные акариоты лишены какого-либо од­ного типа нуклеиновой кислоты (РНК или ДНК). Они не способны функционировать (в том числе - реплицироваться) вне живой клет­ки, и, следовательно, правомочно именовать их безъядерными. Па­разитизм вирусов развивается на генетическом уровне.

Бактерии имеют ленточную организацию и у них имеются нукле­иновые кислоты обоих типов - РНК и ДНК, из которых ДНК пред­ставлена в виде одиночной (кольцевидной) хромосомы. Большинство из них размножается на питательных средах (вне организма), а если среди бактерий и есть безусловные (облигатные) паразиты, прибли­жающиеся по данному признаку к вирусам (хламидии, микоплазмы, риккетсии), то паразитизм их отличается по своему механизму - его можно назвать клеточным.

При целенаправленном обследовании различных экологических ниш выявляются все новые группы микроорганизмов-продуцентов полезных веществ, которые могут быть использованы в биотехноло­гии. Количество видов микроорганизмов, используемых в биотехно­логии, постоянно растет.

При выборе биологического объекта во всех случаях нужно со­блюдать принцип технологичности. Так, если в течение многочис­ленных циклов культивирования свойства биологического объекта не сохраняются или претерпевают существенные изменения, то дан­ный биологический объект следует признать нетехнологичным, т.е. неприемлемым для следующих после стадии лабораторных иссле­дований технологических разработок.

С развитием биотехнологии огромное значение приобретают спе­циализированные банки биологических объектов, в частности кол­лекции микроорганизмов с изученными свойствами, а также криобанки клеток животных и растений, которые уже сейчас с помощью специальных методов могут быть с успехом использованы для кон­струирования новых, полезных для биотехнологии организмов. По сути дела, такие специализированные банки культур ответственны за сохранение чрезвычайно ценного генофонда.

Коллекции культур играют важную роль в процедуре правовой защиты новых культур и в стандартизации биотехнологических про­цессов. В коллекциях проводится сохранение, поддержание и обес­печение микроорганизмов штаммами, плазмидами, фагами, линия­ми клеток как для научных и прикладных исследований, так для и соответствующих производств. Коллекции культур кроме основной задачи - обеспечения жизнеспособности и сохранения генетических свойств штаммов - содействуют развитию научных исследований (в области таксономии, цитологии, физиологии), а также служат целям обучения. Они выполняют незаменимую функцию в качестве депо­зитариев патентуемых штаммов. Согласно международным прави­лам, патентоваться и депозитироваться могут не только эффектив­ные продуценты, но и культуры, используемые в генетической инже­нерии.

Большое внимание ученые уделяют целенаправленному созданию новых, не существующих в природе биологических объектов. В пер­вую очередь, следует отметить создание новых клеток микроорганиз­мов, растений, животных методами генетической инженерии. Созданию новых биологических объектов, безусловно, способствует со­вершенствование правовой охраны изобретений в области генетичес­кой инженерии и биотехнологии в целом. Сформировалось направле­ние, занимающееся конструированием искусственных клеток. В на­стоящее время существуют методы, позволяющие получить искусст­венные клетки с использованием различных синтетических и биоло­гических материалов, например искусственной клеточной мембра­ны с заданной проницаемостью и поверхностными свойствами. Неко­торые материалы могут быть заключены внутри таких клеток: фер­ментные системы, клеточные экстракты, биологические клетки, маг­нитные материалы, изотопы, антитела, антигены, гормоны и др. При­менение искусственных клеток дало положительные результаты в производстве интерферонов и моноклональных антител, при создании иммуносорбентов и др.

Разрабатываются подходы к созданию искусственных ферментов и аналогов ферментов, обладающих повышенной стабильностью и активностью. Например, проводится синтез полипептидов желаемой стереоконфигурации, ведутся поиски методов направленного мута­генеза с целью замены одной аминокислоты на другую в молекуле фермента. Делаются попытки построения неферментных каталити­ческих моделей.

Как наиболее перспективные следует выделить следующие груп­пы биологических объектов:

-  рекомбинанты, т.е. организмы, полученные методами гене­тической инженерии;

-  растительные и животные тканевые клетки;

-  термофильные микроорганизмы и ферменты;

-  анаэробные организмы;

-  ассоциации для превращения сложных субстратов;

-  иммобилизованные биологические объекты.

Процесс искусственного создания биологического объекта (мик­роорганизма, или тканевой клетки) состоит в изменении его генети­ческой информации с целью исключить нежелательные и усилить нужные свойства или придать ему совершенно новые качества. Наи­более целенаправленные изменения можно выполнить путем реком­бинаций - перераспределяя гены или части генов и объединяя в од­ном организме генетическую информацию от двух и более организ­мов. Получение рекомбинантных организмов, в частности, можно осуществить методом слияния протопластов, путем переноса при­родных плазмид и методами генной инженерии.

К нетрадиционным биологическим агентам на данном этапе раз­вития биотехнологии относятся растительные и животные тканевые клетки, в том числе гибридомы, трансплантаты. Культуры клеток мле­копитающих уже сейчас являются продуцентами интерферона и ви­русных вакцин, в недалеком будущем осуществится крупномасштаб­ное получение моноклональных антител, поверхностных антигенов клеток человека, ангиогенных факторов.

С развитием методов биотехнологии все большее внимание будет уделяться использованию термофильных микроорганизмов и их ферментов.

Ферменты, продуцируемые термофильными микроорганизмами, характеризуются термостабильностью и более высокой устойчи­востью к денатурации по сравнению с ферментами из мезофилов. Проведение биотехнологических процессов при повышенной тем­пературе с использованием ферментов термофильных микроорга­низмов обладает рядом достоинств:

1)     увеличивается скорость реакции;

2)     повышается растворимость реактивов и за счет этого - продук­тивность процесса;

3) уменьшается возможность микробного заражения реакцион­ной среды.

Наблюдается возрождение биотехнологических процессов с ис­пользованием анаэробных микроорганизмов, которые нередко яв­ляются также термофильными. Анаэробные процессы привлекают внимание исследователей в связи с недостатком энергии и возмож­ностью получения биогаза. Так как при анаэробном культивировании не нужна аэрация среды и биохимические процессы менее интен­сивны, упрощается система теплоотвода, анаэробные процессы можно рассматривать как энергосберегающие.

Анаэробные микроорганизмы успешно используются для пере­работки отходов (биомассы растений, отходов пищевой промыш­ленности, бытовых отходов и др.) и стоков (бытовые и промышлен­ные стоки, навоз) в биогаз.

В последние годы расширяется применение смешанных куль­тур микроорганизмов и их природных ассоциаций. В реальной био­логической ситуации в природе микроорганизмы существуют в виде сообществ различных популяций, тесно связанных между со­бой и осуществляющих круговорот веществ в природе.

Основные преимущества смешанных культур по сравнению с монокультурами следующие:

-   способность утилизировать сложные, неоднородные по со­ставу субстраты, зачастую непригодные для монокультур;

-   способность к минерализации сложных органических соеди­нений;

-   повышенная способность к биотрансформации органических веществ;

-   повышенная устойчивость к токсичным веществам, в том чис­ле тяжелым металлам;

-   повышенная устойчивость к воздействию окружающей среды;

-   повышенная продуктивность;

-   возможный обмен генетической информацией между отдель­ными видами сообщества.

Следует особо выделить такую группу биологических объектов, как ферменты-катализаторы биологического происхождения, изуче­нием которых в прикладном аспекте занимается инженерная энзимология. Основная ее задача - разработка биотехнологических про­цессов, в которых используется каталитическое действие энзимов, как правило, выделенных из состава биологических систем или находящихся внутри клеток, искусственно лишенных способнос­ти роста. Благодаря ферментам скорость реакций по сравнению с реакциями, протекающими в отсутствие этих катализаторов, возрастает в 10б- 1012раз.

Как отдельную отрасль создания и использования биологических объектов следует выделить иммобилизованные биологические объек­ты. Иммобилизованный объект представляет собой гармоничную систему, действие которой в целом определяется правильным подбо­ром трех основных компонентов: биологического объекта, носителя и способа связывания объекта с носителем.

В основном используются следующие группы методов мобилиза­ции биологических объектов:

-  включение в гели, микрокапсулы;

-  адсорбция на нерастворимых носителях;

-  ковалентное связывание с носителем;

-  сшивка бифункциональными реагентами без использования но­сителя;

- «самоагрегация» в случае интактных клеток.

Основными преимуществами использования иммобилизованных биологических объектов являются:

- высокая активность;

- возможность контроля за микроокружением агента;

   возможность полного и быстрого отделения целевых продук­тов;

-  возможность организации непрерывных процессов с многократ­ным использованием объекта.

Как следует из вышеизложенного, в биотехнологичиеских про­цессах возможно использование ряда биологических объектов, ха­рактеризующихся различными уровнями сложности биологической регуляции, например клеточным, субклеточным, молекулярным. От особенностей конкретного биологического объекта самым непос­редственным образом зависит подход к созданию всей биотехноло­гической системы в целом.

В результате фундаментальных биологических исследований уг­лубляются и расширяются знания о природе и, тем самым, о воз­можностях прикладного использования той или иной биологичес­кой системы в качестве активного начала биотехнологического процесса. Набор биологических объектов непрерывно пополняется.

1.4. Основные направления развития методов биотехнологии в ветеринарии

За последние 40 - 50 лет произошло скачкообразное развитие боль­шинства наук, что привело к форменной революции в производстве ветеринарных и медицинских биопрепаратов, созданию трансгенных растений и животных с заданными уникальными свойствами. По­добные исследования являются приоритетными направлениями на­учно-технического прогресса и в XXI в. займут ведущее место среди всех наук.

Даже простое перечисление товарных форм биопрепаратов ука­зывает на неограниченные возможности биотехнологии. Однако этот важный вопрос заслуживает некоторой детализации.

На наш взгляд, возможности биотехнологии особенно впечатля­ющи в трех основных направлениях.

Первое - это крупнотоннажное производство микробного белка для кормовых целей (вначале - на основе гидролизатов древесины, а затем - на основе углеводородов нефти).

Важную роль играет производство незаменимых аминокислот, необходимых для сбалансированности по аминокислотному составу кормовых добавок.

Кроме кормового белка, аминокислот, витаминов и других кормо­вых добавок, увеличивающих питательную ценность кормов, быст­ро расширяются возможности массового производства и примене­ния вирусных и бактериальных препаратов для профилактики бо­лезней птиц и сельскохозяйственных животных, для эффективной борьбы с вредителями сельскохозяйственных растений. Микробиологические препараты, в отличие от многих химичес­ких, обладают высокой специфичностью действия на вредных насе­комых и фитопатогенные микроорганизмы, они безвредны для чело­века и животных, птиц и полезных насекомых. Наряду с прямым уничтожением вредителей в период обработки они действуют на потомство, снижая его плодовитость, не вызывают образования ус­тойчивых форм вредных организмов.

Огромны возможности биотехнологии в области производства ферментных препаратов для переработки сельскохозяйственно­го сырья, создания новых кормов для животноводства.

Второе направление - разработки в интересах развития био­логической науки, здравоохранения и ветеринарии. На основе дости­жений генной инженерии и молекулярной биологии биотехнология может обеспечить здравоохранение высокоэффективными вакцинами и антибиотиками, моноклональными антителами, интерфероном, ви­таминами, аминокислотами, а также ферментами и другими био­препаратами для исследовательских и лечебных целей. Некоторые из этих препаратов уже сегодня с успехом применяются не только в научных экспериментах, но и в практической медицине и ветерина­рии.

Наконец, третье направление - разработки для промышленности. Уже сегодня продукцию биотехнологических производств потреб­ляют или применяют пищевая и легкая промышленность (фермен­ты), металлургия (использование некоторых веществ в процессах флотации, точного литья, прецизионного проката), нефтегазовая промышленность (использование ряда препаратов комплексной переработки растительных и микробных биомасс при бурении скважин, при селективной очистке и др.), резиновая и лакокра­сочная промышленность (улучшение качества синтетического ка­учука за счет некоторых белковых добавок), а также ряд других про­изводств.

К числу активно разрабатываемых направлений биотехнологии относятся биоэлектроника и биоэлектрохимия, бионика, нанотехнология, в которых используются либо биологические системы, либо принципы действия таких систем.

Широко в научных исследованиях применяются ферментсодержащие датчики. На их основе разработан ряд устройств, например, дешевые, точные и надежные приборы для проведения анализов. Появляются и биоэлектронные иммуносенсоры, причем в не­которых из них используется полевой эффект транзисторов. На их основе предполагается создавать относительно дешевые приборы, способные определять и поддерживать на заданном уровне концент­рацию широкого круга веществ в жидкостях тела, что может вызвать переворот в биологической диагностике.

Достижения ветеринарной биотехнологии. В России биотехно­логия как наука начала развиваться с 1896 г. Толчком послужила необхо­димость создавать профилактические и терапевтические средства против таких болезней как сибирская язва, чума крупного рогатого скота, бешен­ство, ящур, трихинеллез. В конце XIX в. ежегодно от сибирской язвы гибло более 50 тыс. животных и 20 тыс. людей. За 1881 - 1906 гг. от чумы пало 3,5 млн коров. Значительный ущерб наносил сап, от которого гибло конское поголовье и люди.

Успехи отечественной ветеринарной науки и практики в проведении специфической профилактики инфекционных болезней связаны с круп­ными научными открытиями, сделанными в конце XIX и начале XX столетий. Это касалось разработки и внедрения в ветеринарную практику профилактических и диагностических препаратов при карантин­ных и особо опасных болезнях животных (вакцины против сибирской язвы, чумы, бешенства, аллергенов для диагностики туберкулеза, сапа и др). Была научно доказана возможность приготовления лечебных и ди­агностических гипериммунных сывороток.

На этот период приходится фактическая организация в России само­стоятельной биологической промышленности.

С 1930 г. существующие в России ветеринарные бактериологичес­кие лаборатории и институты стали существенно расширяться, и на их базе было начато строительство крупных биологических фабрик и био­комбинатов по производству вакцин, сывороток, диагностикумов для ветеринарных целей. В этот период разрабатываются технологические процессы, научно-технологическая документация, а также единые ме­тоды (стандарты) изготовления, контроля и применения препаратов в животноводстве и ветеринарии.

В 30-е годы были построены первые заводы по получению кор­мовых дрожжей на гидролизатах древесины, сельскохозяйственных отходах и сульфитных щелоках под руководством В.Н.Шапошнико­ва. Успешно внедрена технология микробиологического производ­ства ацетона и бутанола (рис. 2).

Большую роль в создание основ отечественной биотехнологии внесло его учение двухфазном характере брожения. В 1926 г. в СССР были исследованы биоэнергетические закономерности окисления углеводородов микроорганизмами. В последующие годы биотехно­логические разработки широко использовались в нашей стране для расширения «ассортимента» антибиотиков для медицины и животно­водства, ферментов, витаминов, ростовых веществ, пестицидов.

Рис. 2. Биопредприятие с замкнутым циклом производства, не загрязняющее окружающую среду

С момента создания в 1963 г. Всесоюзного научно-исследо­вательского института биосинтеза белковых веществ в нашей стра­не налаживается крупнотоннажное производство богатой белками биомассы микроорганизмов как корма.

В 1966 г. микробиологическая промышленность была выделена в отдельную отрасль и создано Главное управление микробиологичес­кой промышленности при Совете Министров СССР - Главмикробиопром.

С 1970 г. в нашей стране ведутся интенсивные исследования по селекции культур микроорганизмов для непрерывного культивиро­вания в промышленных целях.

В разработку генно-инженерных методов советские исследователи включились в 1972 г. Следует указать на успешное осуществление в СССР проекта «Ревертаза» - получение в промышленных масшта­бах фермента «обратной транскриптазы».

Развитие методов изучения структуры белков, выяснение меха­низмов функционирования и регуляции активности ферментов от­крыли путь к направленной модификации белков и привели к рожде­нию инженерной энзимологии. Иммобилизованные ферменты, об­ладающие высокой стабильностью, становятся мощным инструмен­том для осуществления каталитических реакций в различных отрас­лях промышленности.

Все эти достижения поставили биотехнологию на новый уровень, качественно отличающийся от прежнего возможностью сознательно управлять клеточными процессами биосинтеза.

За годы становления промышленного производства биологических препаратов в нашей стране произошли существенные качественные из­менения биотехнологических приемов их получения:

- проведены исследования по получению стойких, с наследственно закрепленными свойствами, авирулентных штаммов микроорганизмов, из которых готовят живые вакцины;

- разработаны новые питательные среды для культивирования мик­роорганизмов, в том числе и на основе гидролизатов и экстрактов из сырья непищевого назначения;

- получены высококачественные сывороточные питательные среды для лептоспир и других трудно культивируемых микроорганизмов;

- разработан глубинный реакторный способ культивирования мно­гих видов бактерий, грибов и некоторых вирусов;

- получены новые штаммы и линии клеток, чувствительных ко мно­гим вирусам, что обеспечило приготовление и получение стандартных и более активных противовирусных вакцин;

- механизированы и автоматизированы все процессы производства;

- разработаны и внедрены в производство современные методы кон­центрирования культур микроорганизмов и сублимационной сушки биопрепаратов;

- снижены энергозатраты на получение единицы продукции, стан­дартизировано и улучшено качество биопрепаратов;

- повышена культура производства биопрепаратов.

Уделяя большое внимание разработкам ветеринарных биопрепаратов дня профилактики, диагностики инфекционных болезней и лечения больных животных, в нашей стране постоянно ведется работа по совершен­ствованию промышленной технологии, освоению производства более эффективных, дешевых и стандартных препаратов. При этом основными требованиями являются:

-  использование мирового опыта;

-  экономия ресурсов;

-  сохранение производственных площадей;

-  приобретение и монтаж современного оборудования и технологи­ческих линий;

-  проведение научных исследований по разработке и изысканию но­вых видов биопродуктов, новых и дешевых рецептов приготовления пи­тательных сред;

  - изыскание более активных штаммов микроорганизмов в отно­шении их антигенных, иммуногенных и продуктивных свойств.

Федеральное государственное общеобразовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологий им. К.И.Скрябиан»

Реферат по биотехнологии

«Лекция № 1»

Работу выполнила

Студентка ФВМ

4 курса, 11 группы

Гордон Мария

Москва 2006