Основные понятия в биотехнологии. Биотехнология (от греч. вios – жизнь, teken – искусство, мастерство, logos – наука, умение, мастерство) – это получение продуктов из биологических объектов или с применением биологических объектов.

В последние десятилетия мы стали свидетелями своеобразного бума, связанного с рождением и становлением современной биотехнологии. Речь идет о создании мобильной, высокоэффективной, компактной отрасли производства, базирующейся на самых последних достижениях биологической науки, прежде всего на методах генетической и клеточной инженерии.

Термином «биотехнология» обозначают преимущественно новые, промышленно важные пути биотрансформации различных веществ и живых организмов.

Биотехнология – это наука о применении биологических процессов и систем в производстве.

Биотехнология – это направление научно-технического прогресса, использующее биологические процессы и агенты для целенаправленного воздействия на природу, а также в интересах промышленного получения полезных для человека продуктов, в частности лекарственных средств.

Биотехнология – это объединение биохимической, микробиологической и инженерной наук с целью технологического использования микроорганизмов, культур клеток и тканей, а также составных частей клеток.

Таким образом, биотехнология представляет собой область знаний, которая возникла и оформилась на стыке микробиологии, молекулярной биологии, генетической инженерии, химической технологии и ряда других наук.

Рождение биотехнологии обусловлено потребностями общества в новых, более дешевых продуктах для народного хозяйства, в том числе медицины и ветеринарии, а также принципиально новых технологиях.

В качестве биологических объектов могут быть использованы организмы животных и человека (например, получение иммуноглобулинов из сывороток вакцинированных лошадей или людей; получение препаратов крови доноров), отдельные органы (получение гормона инсулина из поджелудочных желез крупного рогатого скота и свиней) или культуры тканей (получение лекарственных препаратов).

Однако в качестве биологических объектов чаще всего используют одноклеточные микроорганизмы, а также животные и растительные клетки. Выбор этих объектов обусловлен следующими причинами.

Клетки являются своего рода «биофабриками», вырабатывающими в процессе своей жизнедеятельности разнообразные ценные продукты (белки, жиры, углеводы, витамины, аминокислоты, антибиотики, гормоны, антитела, антигены, ферменты, спирты и др.). Эти продукты крайне необходимы в жизни человека и пока недоступны для получения «небиотехнологическими» способами из-за сложности технологии процессов или экономической нецелесообразности, особенно в условиях крупномасштабного промышленного производства.

Клетки чрезвычайно быстро воспроизводятся, что позволяет за относительно короткое время искусственно нарастить на сравнительно дешевых и недефицитных питательных средах в промышленных масштабах огромные количества биомассы микробных, животных или растительных клеток.

Биосинтез сложных веществ (белков, антибиотиков, антигенов, антител и др.) значительно экономичнее и технологически доступнее, чем химический синтез. Коэффициент полезного действия «работы» клетки равен 70 %, а самого совершенного технологического процесса – значительно ниже.

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

Задачи, стоящие перед биотехнологией:

1. поддержание и активизация путей обмена клеток, ведущих к накоплению целевых продуктов при заметном подавлении других реакций обмена у культивируемого организма;
2. получение клеток и их составных частей для направленного изменения сложных молекул;
3. углубление и совершенствование генетической инженерии, включающей рДНК-биотехнологию и клеточную инженерию, с целью получения особо ценных результатов в фундаментальных и прикладных разработках;
4. создание безотходных и экологически безопасных биотехнологических процессов;
5. совершенствование и оптимизация аппаратурного оснащения биотехнологических процессов с целью достижения максимальных выходов конечных продуктов при культивировании лекарственных видов с измененной наследственностью, полученных методами клеточной и генной инженерии;
6. повышение технико-экономических показателей биотехнологических процессов по сравнению с существующими параметрами.

Основные термины и понятия биотехнологии.

Нуклеиновые кислоты – высокомолекулярные сложные органические соединения, состоящие из серии компонентов более простого строения, названных нуклеотидами.

Нуклеотид – это комплекс, включающий одно из азотистых оснований, углевод (рибозу или дезоксирибозу) и остаток фосфорной кислоты.

ДНК (дезоксирибонуклеиновые кислоты) – нуклеиновые кислоты, содержащие в качестве углеводного компонента дезоксирибозу, а в качестве азотистых оснований – аденин, гуанин, цитозин, тимин. ДНК присутствуют в клетках любого организма, входят в состав многих вирусов. Первичная структура молекулы ДНК строго индивидуальна и специфична, представляет собой кодовую форму записи биологической информации, т. е. генетический код.

РНК (рибонуклеиновые кислоты) – нуклеиновые кислоты, содержащие в качестве углеводного компонента рибозу, а в качестве азотистых оснований – аденин, гуанин, цитозин, урацил. РНК присутствуют в клетках любого живого организма, входят в состав многих вирусов; участвуют в реализации генетической информации.

Ген – наследственный фактор, функционально неделимая информация генетического материала; участок молекулы ДНК, кодирующий первичную структуру полипептида, молекулы транспортной и рибосомальной РНК или взаимодействующий с регуляторным белком.

Генотип – совокупность генов данной клетки или организма.

Геном – совокупность генов, характерных для гаплоидного набора хромосом данного вида организмов; основной гаплоидный набор хромосом.

Вектор – любая плазмида или фаг, в которые может быть встроена чужеродная молекула ДНК с целью клонирования.

Плазмида – кольцевая внехромосомная ДНК, способная к автономной репликации.

Репликация – самоудвоение молекулы ДНК путем образования ее копии при помощи набора ферментов (ДНК-полимераз, лигаз и т. п.).

Гибридизация – процесс образования или получения гибридов, в основе которого лежит объединение генетического материала разных клеток в одной клетке.

Клон – совокупность клеток или особей, произошедших от общего предка путем бесполого размножения.

Штамм – чистая культура микроорганизма, выделенного из определенного источника или полученного в результате мутаций.

Эукариоты – организмы, состоящие из клеток, в которых обязательно содержится особый органоид – ядро.

1. Мировой уровень биотехнологии как науки и отрасли производства

Человек использовал биотехнологию на протяжении многих тысяч лет: люди занимались пивоварением, пекли хлеб, придумали способы хранения и переработки продуктов путем ферментации (производство сыра, уксуса, соевого соуса), научились делать мыло из жиров, изготавливать простейшие лекарства и перерабатывать отходы. Однако только разработка методов генетической инженерии, основанных на создании рекомбинантных ДНК, привела к тому «биотехнологическому буму», свидетелями которого мы сейчас и являемся.

Биотехнология как самостоятельная прикладная наука сформировалась в середине 50-х гг. XX в., когда человечество осознало необходимость первоочередного решения на принципиально новых основах главнейших проблем современности – продовольственной, энергетической, ресурсной, загрязнения окружающей среды и др. Биотехнологические процессы базируются на использовании биосинтетического потенциала микроорганизмов, растительных и животных клеток, тканей и органов, культивируемых на искусственных питательных средах.

В настоящее время во многих странах мира развитию биотехнологии придается первостепенное значение в силу ряда существенных преимуществ перед другими видами технологий: биотехнологические процессы обладают низкой энергоемкостью, почти безотходны, экологически чистые. Эти технологии предусматривают использование стандартного оборудования и реактивов, а также возможность проведения исследований круглый год, независимо от климатических условий, занимая при этом незначительные площади. Кроме того, биотехнологические процессы высокопроизводительны, для них характерен высокий уровень автоматизации и механизации. Данные процессы осуществляются при относительно низких температурах и атмосферном давлении.

Биотехнология сегодня развивается бурными темпами. Как наука она изучает внедрение производственных процессов, в основе которых лежит практическое использование микроорганизмов, всевозможных биологических систем. Это не только растительные или животные ткани, но и протопласты, рекомбинантные ДНК, а также полностью генетически модифицированные организмы.

Биотехнологическое производство представляет собой интенсивно развивающийся сектор экономики большинства развитых стран, созданию благоприятных условий для развития которого способствовало принятие во многих государствах специальных долгосрочных программ. Согласно исследованиям, объем мирового рынка биотехнологий оценивается в стоимостном выражении в 270 млрд. долларов США с прогнозируемым ежегодным приростом. К 2020 г. объем мирового рынка биотехнологий вырастет более чем в 2 раза и составит около 600 млрд. долларов США. Биотехнологическое производство относится к высокотехнологичным отраслям экономики и сконцентрировано в наиболее промышленно развитых странах.

Около 45 % мирового рынка биотехнологий сконцентрировано в Северной Америке (Соединенные Штаты Америки и Канада), по 26 % – в Европе и Азии, 2,5 % – в странах Среднего Востока и Африки. В последние годы значительные ресурсы в развитие биотехнологий вкладывают Федеративная Республика Бразилия, Российская Федерация, Республика Индия, Китайская Народная Республика и Южно-Африканская Республика, реализующие масштабные программы по всем биотехнологическим направлениям. Ключевыми факторами, определяющими успешное развитие биотехнологической отрасли в развитых странах, являются: активная финансовая поддержка отрасли государством; наличие специальных образовательных и исследовательских учреждений; высокая квалификация научных кадров; многолетний опыт предпринимательской деятельности в стране.

2. История развития биотехнологии

Глубоко в древности биотехнология развивалась эмпирическим путем: выпечка хлеба, изготовление вина, сыроварение, силосование кормов для скота – все это различные микробиологические процессы, за которыми веками велись наблюдения.

Настоящая же генная инженерия, биотехнология как современный вид науки начала развиваться только лишь в середине прошлого столетия.

История развития биотехнологии условно делится на три последовательных этапа. Первый – это развитие биотехнологии в разрезе исторического аспекта. При раскопках древних поселений в Месопотамии, в Египте, а также Греции были обнаружены остатки больших и малых пекарен и пивоварен. Известно, что уже шумеры умели делать пиво, причем ассортимент его был довольно широк (около двадцати различных сортов). На территории Древней Греции и Римской империи было активно развито виноделие и производство сыра. Изготовляли и льняное волокно, этот процесс происходит с участием микроскопических грибов и бактерий.

В конце XIX в. развитие биотехнологии вступило во второй этап – она начала развиваться как наука. Появились первые ученые-генетики, микробиологи и вирусологи. В начале прошлого века были созданы первичные установки по производству метана. Отходы сельскохозяйственного производства превращались в биологический газ и органическое удобрение. В середине ХХ в. началось производство антибиотиков, как следствие, появились предприятия, которые с помощью микроорганизмов начали производить не только аминокислоты и витамины, но и органические кислоты, а также ферменты.

Впервые термин «биотехнология» применил венгерский инженер Карл Эреки в 1917 г.

В конце ХХ в. развилась генная и клеточная инженерия, что ознаменовало третий этап развития биотехнологии. Фактическим «днем рождения» этого вида современной науки считают 1972 г., время создания первой гибридной ДНК, в которую встроили чужеродные гены. Итак, биотехнология, как постоянно и динамично развивающаяся наука, охватывает несколько больших периодов. Первый из них – конец XIX и начало ХХ вв. Это было время первых великих свершений, таких, как открытие структуры белков или применение вирусов при изучении генетики клеточных организмов. Во втором периоде биотехнология сформировалась как научно-техническая отрасль, уже производящая препараты. Наконец, в третьем периоде начала развиваться генная и клеточная инженерия.

3. Основные направления развития биотехнологии

Основными направлениями развития биотехнологии считаются:

• создание новых видов продуктов питания и животных кормов, производство их;
• выведение новых штаммов полезных микроорганизмов;
• создание новых пород животных;
• выведение новых сортов растений;
• создание и применение препаратов по защите растений от болезней и вредителей;
• применение новых биотехнологических методов по защите окружающей среды.

Кроме этого, активно развивается направление биологически активных соединений с помощью микроорганизмов и культивируемых эукариотических клеток. Сюда входят ферменты, витамины, а также гормоны.

4. Состояние и перспективы развития биотехнологии в современном мире

Современная биотехнология привлекает внимание инвесторов не только в нашей стране, но и во всем мире. Эксперты и аналитики прогнозируют, что биотехнологии станут самым динамично развивающимся и самым прибыльным бизнесом нынешнего века.

Быстрыми темпами развиваются такие отрасли, как современные биологические методы защиты культурных растений, биоэнергетика и биодеградируемые полимеры, а также природоохранные биотехнологии. Ведутся научные работы по созданию новых биополимеров, в будущем они могут заменить ныне популярные пластмассы. Биополимеры имеют большое преимущество в сравнении с пластмассами, так как они нетоксичны и могут разлагаться после их применения, не загрязняя при этом окружающее пространство. Конструирование необходимых генов даст возможность управлять жизнедеятельностью не только растений, но и животных, создавать новые организмы с иными свойствами.

Современные биотехнологии сыграют большую роль в качественном улучшении жизни человека, развитии экономического роста стран. Посредством биотехнологий получают новые средства для диагностики, вакцины, продукты питания, лекарства. Биотехнология помогает в увеличении урожайности всех злаковых культур, что более чем актуально, принимая во внимание рост численности населения нашей планеты.

В некоторых странах, где значительные объемы биомассы не используются полностью, биотехнология в обозримом будущем превратит их в ценные продукты или в биологические виды топлива. Биотехнология все больше перестает быть прикладной наукой, она активно входит в обычную жизнь людей, помогая решать насущные проблемы современного человечества.

5. Развитие биотехнологии и генной инженерии в современной науке

Биотехнологии и генная инженерия, более чем все остальные, связана с фундаментальными научными исследованиями. Создание организмов с «заданными параметрами», лечение генетически обусловленных болезней, производство белковой массы вне организма, внедрение в организм «биологических чипов», влияющих на жизнедеятельность – все эти направления нуждаются в дорогостоящих исследованиях, сложном оборудовании и высококвалифицированных специалистах.

На стыке ХХ и ХХI в. был задуман и осуществлен грандиозный проект – прочитан геном человека. Это был большой труд, в котором участвовало много лабораторий в разных странах мира. Одним из продуктов этих исследований стало появление технологии идентификации личности по ДНК, получение информации о родстве (установление отцовства). Но от прочтения генома ученые ожидали большего. Информация, зашифрованная в ДНК, огромна и ее изучение, расшифровка еще сложнее, чем процедура исследований.

Вклад биотехнологии в развитие медицины. Одним из «подарков дьявола» считалась возможность определения по ДНК генетически запрограммированных болезней. С одной стороны, это возможность предупредить человека об опасностях, но такая информация сама по себе травматична и способна провоцировать болезни. Однако «предопределенность» болезней оказалась отнюдь не абсолютной. У вполне здоровых пожилых людей при исследовании обнаруживаются гены болезней, от которых они должны были давно умереть. Хотя наследственность никто не отменял, как и генетическую предрасположенность к тем или иным заболеваниям.

Сейчас идет речь не о том, чтобы просто получать информацию о будущих болезнях, но о том, что есть возможность исправлять дефектные участки ДНК. И это было бы прекрасно – ведь накопление генетических ошибок в человеческом сообществе способствует деградации вида Homo sapiens.

Проблемы биотехнологии. Сейчас возникают споры о генной медицине, о клонировании организмов, об этических вопросах исследования стволовых клеток. На повестке дня – «биопринтер», при помощи которого признается возможным выращивание органов для трансплантации. На исследования в этом направлении направляются огромные средства, прежде всего в США. Одновременно возникают опасения: вдруг возникнет тенденция выращивания клонов в качестве «идеальных доноров»?

Впрочем, на пути многих амбициозных и не слишком щепетильных в нравственном отношении проектов возникают препятствия, положенные самой природой. Фантастические успехи от применения стволовых клеток для лечения и омоложения – и их перерождение в злокачественные опухоли; рождение клонированных животных – и их ранняя смерть, слабое здоровье. Живая материя по-прежнему непостижима, несмотря на успехи в ее познании, и пределы человеческого вмешательства в ее основы ограничены.

Развитие биотехнологии до 2020 г. Перспективы биотехнологии на ближайшее будущее можно разделить на рекламные и научно обоснованные. К широко разрекламированным проектам относятся, например, «таблетки молодости» – их обещают выпустить на рынок как раз к 2020 г. Однако скептики говорят, что таких сенсаций было много, начиная со времен алхимии. Более реалистично выглядит 3D-принтер, наносящий клеточные культуры на матрицу с питательным раствором, и формирующий искусственные органы. Еще один медицинский проект – лечение тяжелых ожогов путем нанесения на пораженный участок стволовых клеток, которые в считанные дни образуют новую кожу.

Генетический ремонт – направление, которое развивается и будет развиваться, и в него инвестируются большие деньги.

6. Использование биотехнологии в животноводстве

Получение трансгенных животных. Трансгенные животные – это экспериментально полученные животные, содержащие во всех клетках своего организма дополнительную интегрированную с хромосомами чужеродную ДНК (трансген), которая передается по наследству.

Термин «трансгеноз» был предложен в 1973 г. для обозначения переноса генов одних организмов в клетки организмов других видов, в том числе далеких в эволюционном отношении. Получение трансгенных животных осуществляется с помощью переноса клонированных генов (ДНК) в ядра оплодотворенных яйцеклеток (зигот) или эмбриональных стволовых (плюрипотентных) клеток. Затем в репродуктивные органы реципиентной (получающей) самки пересаживают модифицированные зиготы или яйцеклетки, у которых собственное ядро заменено на модифицированное ядро эмбриональных стволовых клеток, либо бластоцисты (эмбрионы), содержащие чужеродную ДНК эмбриональных стволовых клеток.

Первые трансгенные животные были получены в 1974 г. в Кембридже (США) в результате инъекции в эмбрион мыши ДНК вируса обезьяны. В 1980 г. американским ученым Жоржем Гордоном (Gordon) с соавторами было предложено использовать для создания трансгенных животных микроинъекцию ДНК в пронуклеус (ядро в яйцеклетке) зиготы. Именно этот подход положил начало широкому распространению технологии получения трансгенных животных.

В России первые трансгенные животные появились в 1982 г. С помощью микроинъекций в пронуклеус зиготы в 1985 г. в США были получены первые трансгенные сельскохозяйственные животные (кролик, овца, свинья).

Все имеющиеся методы переноса генов (трансгеноз) пока еще не очень эффективны. Для получения одного трансгенного животного в среднем необходимы микроинъекции ДНК в 40 зигот мышей, 90 зигот козы, 100 зигот свиньи, 110 зигот овцы и в 1600 зигот коровы.

При трансгенозе могут возникать неожиданные проблемы. Одна из первых работ по генетической трансформации животных проводилась путем встраивания генов гормона роста. Перенос гена гормона роста крысы мышам увеличивал рост мышей в 2 раза. Эксперименты по трансгенозу генов гормона роста быка кроликам также увенчались успехом. А вот аналогичные эксперименты по модификации крупного рогатого скота привели к увеличению прироста всего на 10–20 %.

Технология создания трансгенных животных является одной из наиболее бурно развивающихся биотехнологий в последние 10 лет. Трансгенные животные широко используются как для решения большого числа теоретических задач, так и для биомедицины и сельского хозяйства.

Уже получены трансгенные коровы и козы, в молоке которых содержится человеческий белок лактоферрин.

Американская корпорация «Genzyme Transgenics» проводит исследования с целью создания трансгенного крупного рогатого скота, содержащего в молоке человеческий альбумин. Альбумин используется в терапии для поддержания осмотического давления в крови.

«Genzyme Transgenics» занимается разработкой аналогичных методов получения человеческого гормона роста и β-интерферона.

В Англии созданы трансгенные овцы, молоко которых содержит фактор свертывания крови.

В России получены свиньи, несущие ген соматотропина. Они не отличались по темпам роста от нормальных животных, но изменение обмена веществ сказалось на содержании жира. Такие трансгенные свиньи были созданы для изучения цепочки биохимических превращений гормона, а побочным эффектом явилось укрепление иммунной системы.

Трансгенных животных получают и для целей ксенотрансплантации (пересадки органов человеку). Одним из распространенных доноров органов являются свиньи, так как имеется анатомическое сходство органов и сходство иммунологических свойств. Реакции отторжения при трансплантации имеют сложный механизм. Одним из сигналов для атаки организма на чужой орган являются белки, локализованные на внешней поверхности мембраны. У трансгенных свиней эти белки заменены на человеческие.

Существует множество трансгенных животных, моделирующих различные заболевания человека (рак, атеросклероз, ожирение и др.).

В практических целях трансгенные животные используются различными зарубежными фирмами как коммерческие биореакторы, обеспечивающие производство разнообразных медицинских препаратов (антибиотиков, факторов свертываемости крови и др.). Кроме того, перенос новых генов позволяет получать трансгенных животных, отличающихся повышенными продуктивными свойствами (например, усиление роста шерсти у овец, понижение содержания жировой ткани у свиней, изменение свойств молока) или устойчивостью к различным заболеваниям, вызываемым вирусами и другими патогенами. В настоящее время человечество уже использует множество продуктов, получаемых с помощью трансгенных животных: медицинские препараты, органы, пища.

Согласно принятому постановлению Совета Министров Союзного государства от 15 октября 2002 г. № 34 была утверждена программа «БелРосТрансген-1». После сотен операций по вживлению человеческого гена в ДНК коз родились двое трансгенных козлят (Лак-1 и Лак-2), которые стали родоначальниками стада. Это позволило наладить на территории Республики Беларусь производство лактоферрина, созданного на основе белка женского молока, который в 10 раз снижает заболеваемость гастроэнтеритами детей в период искусственного вскармливания. Годовая потребность Союзного государства в этом препарате не менее 10000 кг.

Речь здесь идет о получении в промышленных масштабах лекарства четвертого поколения – самого современного в борьбе с различными заболеваниями, а также большой экономической выгоде, которую предполагает для Республики Беларусь реализация этой программы. Учитывая, что стоимость одной дозы лактоферрина, произведенного методом микробного синтеза составляет 2,0–2,5 тыс. долларов, использование предлагаемой технологии получения лекарственных белков человека из молока трансгенных животных позволит снизить стоимость этого препарата в 10–20 раз и более, что сделает его общедоступным.