Традиційні та сучасні біотехнології

З найдавніших часів знання в області біотехнології застосовувалися людиною в сироварінні, для виготовлення вина та інших продуктів. Вперше бродіння, а це класичний приклад біотехнології, використовувалося для виробництва пива в Стародавньому Вавилоні кілька тисяч років тому.

Однак, в подальшому протягом багатьох століть унікальні розробки, знання і технології були загублені. Лише в XIX столітті почали цілеспрямовано вивчати цей розділ науки.

Вважається, що основоположником біотехнології є Луї Пастер, в 1867 році вивчав процеси бродіння і сквашування, які виникали при життєдіяльності різних мікроорганізмів.

В кінці XIX-початку XX ст. були зроблені численні сенсаційні відкриття, що сформували біотехнологію в її сучасному розумінні.

Слово «біотехнологія» 1919 року вперше вжив угорський інженер Карл Ерекі, коли описував процес вирощування свиней, що харчуються цукровим буряком. Згідно з його визначенням,

Біотехнологія — це всі види робіт, у яких із сировинних матеріалів за допомогою живих організмів виробляють ті чи ті продукти.

Відповідно до цього визначення, буряк — це сировина, із якої за допомогою живих організмів (свиней) отримують кінцевий продукт — свинину.

У другій половині XX століття після об’єднання нафтопереробної та харчової промисловості був зроблений істотний стрибок у дослідженні цієї дисципліни. Вчені навчилися синтезувати білок з продуктів нафтопереробки, використовуючи надалі такі синтетичні компоненти в якості замінників органіки.

У 1983 р. на міжнародному біотехнологічному Конгресі у Братиславі було прийнято таке визначення біотехнології:

Біотехнологія – це наука, що розробляє наукові основи великомасштабної реалізації процесів отримання за допомогою каталізаторів різноманітних продуктів і захист навколишнього середовища.

У цьому визначення з’явився важливий аспект для біотехнології – захист оточуючого середовища.

У 1984 р. Європейською Федерацією Біотехнологів було запропоновано таке визначення біотехнології:

Біотехнологія – це інтегральне використання біохімії, мікробіології та інженерних наук в цілях промислової реалізації здатностей мікроорганізмів, культур тканин клітин і їх частин.

Біотехнологія – це свідоме виробництво необхідних людині продуктів і матеріалів за допомогою біологічних об’єктів і процесів.

Часто до біотехнології відносять дослідження рекомбінантних ДНК і нові процеси, створені при використанні генної інженерії.

Біотехнологія – / за А.Л. Баєвим/ це направлення, покликане шукати шляхи промислового застосування біологічних агентів і процесів.

Біотехнологія - / за Ю.А.Овчинніковим/ це комплексна багатопрофільна галузь науково-технічного прогресу, що включає мікробіологічний синтез у його широкому розумінні, генетичну, білкову і клітинну інженерію, ензимологію.

Об'єкти біотехнології багаточисленні і різноманітні. До них відносяться представники основних груп живих організмів: віруси, мікроорганізми (бактерії, дріжджі), інші одноклітинні організми протисти рослини, гриби, тварини, а також ізольовані з них клітини і субклітинні компоненти.

Першочерговими завданнями біотехнології є створення:

1. Нових біологічно-активних речовин і лікарських препаратів (інтерферонів, інсуліну, соматотропіну. моноклональних антитіл, вакцин) для діагностики, профілактики, лікування хвороб;

2. Засобів захисту рослин від шкідників і хвороб, виробництво бактеріальних добрив, регуляторів росту рослин, створення стійких до несприятливих умов сортів с/г рослин:

3. Одержання цінних кормових добавок (білків, вітамінів, амінокиислот, вуглеводів);

4. Створення нових технологій одержання продуктів для харчової, хімічної, фармацептичної, текстильної, мікробіологічної й інших галузей промисловості:

5. Створення технологій утилізації і біоконверсії відходів промислових і с/г виробництв, безпечних в екологічному відношенні для одержання енергоносіїв, безпечних добрив;

6. Удосконалення апаратури для біотехнологічних процесів і підвищення техніко-економічних показників біотехнологічних процесів.

Біотехнологію умовно поділяють на два підрозділи: традиційна (куди входить технологічна мікробіологія, а також технічна, біохімічна та інженерна ензимологія) і нова (куди входять генетична та клітинна інженерія).

Традиційні біотехнології

Традиційна біотехнологія заснована на використанні процесу ферментації.

Ферментація — отримання готових продуктів за рахунок діяльності мікроорганізмів (бактерій, міцеліальних грибів, дріжджів, водоростей) або їхніх ферментів.

На сьогодні, за допомогою цього процесу можна отримувати не тільки кефір, хліб, вино та різні види сирів.

Мікроорганізми продукують:

• лікарські засоби (антибіотики, вітаміни, препарати стероїдного ряду);

• кислоти (оцтову, лимонну та інші);

• спирти (етанол, гліцерол та інші);

• полісахариди (наприклад, декстран, що використовується в якості замінника крові);

• ферментні комплекси, що знайшли своє застосування у найрізноманітніших галузях.

За останні 30 років виник ряд нових виробництв, що базуються на використанні різних міцеліальних грибів, дріжджів, бактерій, рідше водоростей. За допомогою мікроорганізмів отримують такі лікарські препарати, як кортизон, гідрокортизон і деякі інші, які належать до групи стероїдів.

Біотехнології використовують іще в деяких галузях людського буття. Так, наприклад, у кондитерській промисловості широко використовують лимонну кислоту, яку дістають у результаті життєдіяльності спеціально виведених мікроорганізмів. Зараз у світі виробляють близько 400 тис. тон цього продукту. Такої кількості лимонної кислоти не забезпечили б жодні цитрусові плантації.

Дедалі ширше стає асортимент ферментів — протеази, нуклеази, амілази, глюкоамілази, каталази, які продукують мікроорганізми; деякі з них, наприклад нуклеази, використовують у генній інженерії. Крім того, мікроорганізми використовують для отримання вакцин. Перспективним є використання мікроорганізмів у гідрометалургії для вилужування металів із бідних руд з метою підвищення їх видобутку.

Сучасні біотехнології

Сучасна біотехнологія в основному почалася 16 червня 1980 року, коли Верховний суд Сполучених Штатів постановив, що генетично модифікований мікроорганізм може бути запатентований.

Метод гібридизації соматичних клітин тварин і людини зараз знайшов винятково важливе застосування для отримання моноклональних антитіл. 1975 р. Келером і Мільдштеймом було розроблено спосіб отримання гібридів між лімфоцитами мишей, імунизованих перед цим якимось антигеном і культивуючими пухлинними клітинами кісткового мозку (мієломними клітинами).

Ці гібридні клітини отримали назву гібридоми. Вони об’єднали в собі здатність лімфоциту утворювати необхідні антитіла (одного типу) і здатність пухлинних клітин безкінечно довго розмножуватися на штучних середовищах. Культивуючи гібридоми, можна отримати антитіла необхідного типу і в необмежених кількостях. Моноклональні антитіла зараз використовують у різних областях медицини і біології.

Можна назвати три напрямки створення нових технологій на основі культивування клітин і тканин рослин.

Перше — отримання промисловим шляхом цінних біологічно активних речовин рослинного походження. Так, отримано мутантні клітинні лінії раувольфії змінної — продуцента індольних алкалоїдів, які містять у 10 разів більш цінного для медицини антиритмічного алкалоїду — аймаліну; дискореї дельтовидної — продуцента діогеніну, який використовується для синтезу гормональних препаратів; отримано штам рути пахучої, який містить алкалоїду рутакридону у 220 разів більше, ніж у самій рослині.

Друге — використання тканинних і клітинних культур для швидкого клонального мікророзмноження та оздоровлення рослини. Можливість використання методів клонального розмноження в стерильній культурі виявлено зараз для 440 видів рослин, які належать до 82 родин.

Третій напрямок складають технології, які пов’язані з генетичними маніпуляціями на тканинах, клітинах, ізольованих протопластах.

Біотехнологія – це галузь науки, яка використовує біологічні компоненти для створення різних речовин. Це включає маніпулювання тваринами та рослинними клітинами з метою отримання потрібних результатів.

Біотехнологічні продукти – це речовини, що утворюються внаслідок життєдіяльності живих клітин, тканин біооб’єктів у штучних умовах.

Серед найбільш поширеної біотехнологічної продукції треба назвати:

• біологічно активні речовини (вітаміни, ферменти, гормони, амінокислоти, білки, вуглеводи, нуклеотиди, антибіотики, стероїди, імуноглобуліни, алкалоїди, пестициди та ін.),

• продукти бродіння (спирти, органічні кислоти, ацетон),

• енергетичні речовини (біогаз, етанол, водень),

• рідкі метали (продукти біометалургії),

• речовини харчового (фруктозо-глюкозний сироп)

• та кормового призначення,

• медичні препарати (вакцини, компоненти крові, моноклональні антитіла).

Біотехнологічний процес – це сукупність виробничих етапів, у яких використовується життєдіяльність організмів або продукти їх метаболізму.

Біотехнологічний процес включає три основні стадії:

1. – підготовчу (доведення біологічного об’єкта до потрібного стану);

2. – культивування біооб’єкта;

3. – відділення, очищення та модифікація цільового продукту.

Блок-схема біотехнологічного процесу

Основою сучасних біотехнологічних виробництв є мікробіологічний синтез.

Основні напрямки цієї науки включають:

1. Біомедицину: дослідження, спрямовані на розробку нових методів лікування та діагностики за допомогою біологічних процесів. Цей напрямок дозволяє не тільки розробити суперсучасні технології лікування різних патологій, а й запобігати виникненню важких хвороб, яких можна було уникнути шляхом редагування ДНК.

2. Біоінженерію: розробка нових технологій та пристроїв на основі біологічних систем. Це управління генами живих істот і рослин, що дозволяє отримувати задані властивості у клітин. Наприклад, вчені зі спеціальністю “Біологія” планують за допомогою технології виправлення генома людини вирішувати проблеми з різними онкологічними захворюваннями.

3. Гібридизацію: поєднання різних видів організмів для отримання нових характеристик або продуктів. Цей розділ науки дозволяє уповільнити процеси старіння, продовжуючи життя за допомогою нано- і біотехнологій.

Вищим досягненням біотехнології вважається генна інженерія, під якою розуміють сукупність технологій і знань отримання ДНК і РНК.

Також до цього розділу науки відноситься клонування, що дозволяє за рахунок використання спеціальних технологій отримувати ідентичні генетичні організми, виведені вегетативним безстатевим розмноженням.

На сьогодні клоновані були не тільки рослини, а й десятки видів тварин, у тому числі коні, коти, собаки і вівці.

Застосування біотехнології

У далекому минулому біотехнологія здавалася ще однією наукою, яка назавжди оселиться в лабораторних кабінетах і ніколи не матиме практичного застосування. Однак сьогодні біотехнологія, її напрямки, технології і знання активно присутні і застосовуються в повсякденному житті.

Методи біотехнології впроваджуються в наступних галузях:

1. Фахівці розробляють різні ефективні сироватки, вакцини і вдосконалені лікарські препарати, які дозволяють боротися з хворобами, в минулому вважалися невиліковними. На заході активно використовуються можливості біотехнології в діагностиці захворювань за допомогою чіпів ДНК і біосенсорів. За допомогою таких маркерів можна здавати аналізи на онкологію і спадкові патології.

2. У харчовій промисловості біотехнологія активно використовується при виробництві амінокислот, алкоголю, різних нешкідливих ферментів. Цей розділ науки часто називають білою біотехнологією, що пояснює її екологічність і натуральність походження.

3. У сільському господарстві зелені біотехнології дозволяють селекціонерам отримувати різні гібридні культурні рослини, що відрізняються високою врожайністю, здатні протистояти грибкам і хворобам. Також вчені навчилися ефективно переробляти відходи сільського господарства, в тому числі макуха і зелену масу, в ефективне паливо.

4. Під сірою біотехнологією, яка вивчає утилізацію і переробку відходів, розуміють очищення стоків, санацію ґрунтів і поліпшення якості повітря. Сьогодні, коли екологія у великих містах залишає бажати кращого, саме за допомогою таких сучасних знань і високотехнологічного обладнання вдається вирішити проблеми з парниковими газами, важкими металами та іншими отруйними сполуками.

5. В криміналістиці біотехнологія також справила величезний вплив на судову експертизу.

6. Одним з прикладів біотехнологій також є використання біотекстилю. Біотекстиль виготовляється з використанням біологічних матеріалів, таких як бактерії або гриби. Це може бути екологічно чистим варіантом одягу, оскільки він не вимагає використання синтетичних матеріалів або хімічних процесів.

Застосування біотехнології в одязі може включати:

• Біодеградуючі тканини: Тканини, які розкладаються природним шляхом, допомагаючи зменшити негативний вплив на навколишнє середовище.

• Тканини, вирощені з клітин: Використання клітин для вирощування тканин без необхідності використання традиційних матеріалів.

• Функціональний одяг: Вбудовані сенсори або інші біотехнологічні компоненти для відстеження здоров’я, температури тіла тощо.

Розвиток та інвестиції

Будь-яке дослідження – це багато років досліджень, використання потужності суперсучасних комп’ютерів і істотні фінансові витрати, а перспективи конкретних розробок можуть бути туманні.

Основними інвестиційними учасниками цього напрямку є самі біотехнологи та інженери, які займаються вишукування в цій галузі. Вчені пропонують не кінцевий продукт, а ідею з можливими методами її реалізації. Для втілення в життя таких задумів потрібні сотні експериментів, дороге обладнання і постійні досліди.

Зараз на ринку біотехнологічних розробок працюють близько десятка по-справжньому великих компаній:

• Illumina спеціалізується на технології ДНК-чіпів, досліджує генетичні аналізи і тести на різні захворювання.

• Oxford Nanopore досліджує продукцію і займається розробкою взаємодії з ДНК.

• Roche – це велика фармацевтична компанія, яка щорічно інвестує в біотехнології сотні мільйонів доларів.

• Counsyl є власником патенту автоматизованого аналізу ДНК, який використовується для діагностики різних патологій.

• Editas Medicine досліджує проблеми адаптації методик лабораторного редагування геномів та використання отриманих результатів у медичній практиці.

За та проти біотехнології

Еколого-економічними перевагами біотехнологічних методів є те, що вони пов’язані із знешкодженням різного характеру забруднень, з біопереробкою відходів промислових підприємств, а також з виробництвом екологічно безпечної, чистої продукції на основі дешевої та доступної сировини.

Серед екологічних плюсів біотехнологічних підприємств треба згадати незначні газоподібні викиди, які не перевищують і частки процента від викидів промисловості взагалі.

Етичні, правові та соціальні питання в біотехнології

Уявіть, що хтось аналізує частину вашої ДНК. Хто контролює цю інформацію? Що, якби ваша медична страхова компанія дізналася, що ви схильні до розвитку руйнівної генетичної хвороби. Чи можуть вони вирішити скасувати вашу страховку? Питання конфіденційності щодо генетичної інформації є важливою проблемою в наш час.

ELSI означає етичні, правові та соціальні питання . Це термін, пов’язаний із проектом «Геном людини». Цей проект мав на меті не тільки ідентифікувати всі гени в геномі людини , але й вирішити проблему ELSI, яка може виникнути в результаті проекту.

Швидкий прогрес у дослідженнях на основі ДНК, генетиці людини та їх застосуванні призвели до нових і складних етичних і правових проблем для суспільства .

Занепокоєння з боку біотехнології

Використання біотехнології породило низку етичних, правових і соціальних питань. Ось лише деякі з них:

• Кому належать генетично модифіковані організми, такі як бактерії ? Чи можна запатентувати такі організми, як винаходи?

• Чи безпечно їсти генетично модифіковані продукти? Чи можуть вони мати невідомий шкідливий вплив на людей, які їх споживають?

• Чи безпечні генетично модифіковані культури для навколишнього середовища? Чи можуть вони завдати шкоди іншим організмам або навіть цілим екосистемам ?

• Хто контролює генетичну інформацію людини? Які гарантії гарантують конфіденційність інформації?

• Як далеко ми повинні зайти, щоб переконатися, що діти не мають мутацій ? Чи слід переривати вагітність , якщо плід має мутацію на серйозне генетичне захворювання ?

В даний час США не зобов'язують маркування генетично модифікованих харчових продуктів. Кукурудза є найбільш поширеною культурою в США, і генетично модифікована кукурудза становить великий відсоток цієї культури.

Отже, втручання в будь який природний процес може мати незворотні наслідки. Тому потрібно пам’ятати певні етичні аспекти застосування сучасних біотехнологічних методів:

• шкідливий вплив створених організмів на довкілля. Як недотримання вплине на довкілля?

• зменшення природної різноманітності. Як недотримання вплине на довкілля?

• патентування генно-інженерних тварин. Як недотримання вплине на довкілля?

• витіснення традиційних методів лікування. Як недотримання вплине на довкілля?

Домашнє завдання

1. Визначте три етичні, юридичні чи соціальні проблеми, пов’язані з біотехнологією.

2. Висловіть свій погляд на проблему ELSI та розробіть логічні аргументи на підтримку своєї точки зору.