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 (от греч. еmperikos – опытный) 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 древних 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 (от греч. аitia – причина) в развитии биотехнологии охватывает вторую половину XIX в. И в первую треть ХХ в. (1856-1933 гг.). Он связан с выдающимися исследованиями великого французского ученого Л. Пастера (1822-1895) – 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 коллегм: 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-го периода особо стоит отметить следующие:

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

- 1769 – 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 – Х.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 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 обмен 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.

4. Геннотехнический период (от греч. genesis- происхождение, возникновение, рождение) 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 специфических ферментов привело к формированию строго научного подхода к разработке биотехнических процессов на основе генноинженерных манипуляций.

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

Молекулярно-генетический период развития микробиологии связан с выходом естественных наук на молекулярный уровень и дальнейшим развитием микробиологии, вирусологии и иммунологии. Создание электронного микроскопа сделало видимым мир вирусов и макромолекулярных соединений. Генетика бактерий пролила свет на проблемы изменчивости генов и создала целую науку - молекулярную биологию. Именно на бактериях доказана роль ДНК в передаче наследственных признаков. Расшифровка основных принципов кодирования генетической информации в ДНК бактерий, а также универсальность генетического кода бактерий и вирусов позволили установить общие молекулярно-генетические закономерности, свойственные высшим организмам.

Пол Берг в 1972 г. получил in vitro рекомбинантную ДНК, состоящую из фрагментов разных молекул вирусной и бактериальной ДНК. Кроме того он расшифровал геном кишечной палочки, что сделало возможным искусственное конструирование генов и пересадку отдельных генов из одних клеток в другие. К настоящему времени методы генной инженерии используют в производстве широкого спектра биологически активных веществ.

Использование разнообразных форм микроорганизмов сделало в ХХ в. актуальной теоретическую и практическую разработку вопросов их культивирования с целью интенсификации вызываемых ими процессов. Это, в свою очередь, обусловило необходимость изучения основ регуляции роста и развития микроорганизмов, поиск способов воздействия на их обмен веществ, что определило формирование еще одного направления современной микробиологии – управляемого культивирования микроорганизмов.

Биотехнологический период – это ХХI в. Уже сегодня биотехнология стремительно выдвигается на передний край научно-технического прогресса. Этому способствует бурное развитие современной молекулярной биологии и генетики, опирающихся на достижения химии и физики, и острая практическая потребность в новых технологиях хозяйственной деятельности человека. Общее определение биотехнологии должно отражать «применение организмов, биологических систем или биологических процессов в промышленности, в сельском хозяйстве и вспомогательных отраслях». Биотехнологические достижения призваны ликвидировать нехватку продовольствия, энергии, минеральных ресурсов, улучшить состояние здравоохранения и охрана окружающей среды. Поток информации велик. Уже создается история биотехнологии: эра брожений, эра антибиотиков (1941-1969). Эра новой биотехнологии (после 1975 г.) началась после открытия Дж.Уотсоном и Ф.Криком (лауреатами Нобелевской премии) строения ДНК. Использование мощной и многообразной каталитической системы микроорганизмов, способной трансформировать природные органические вещества растительного происхождения в любые нужные человеку продукты, возможно в сравнительно простых, технически несложных управляемых сооружениях независимо от климатических условий и при малых энергетических затратах.

Развитие биотехнологии определяется высоким уровнем технологических новшеств. Здесь прежде всего имеются в виду производство питания за счет широкомасштабного выращивания дрожжей, водорослей и бактерий для получения белков, аминокислот, витаминов и ферментов; повышение продуктивности сельскохозяйственных культур (клонирование и отбор разновидностей растений на основе тканевых культур in vitro); биоинсектициды, биоудобрения; уменьшение загрязнения окружающей среды (очистка сточных вод, переработка отходов и побочных продуктов сельского хозяйства и промышленности).

Развитие биотехнологии и новых отраслей связано с эволюцией общего направления биологических исследований и возможностями получения легкодоступных и возобновляемых ресурсов, важных для жизни и благосостояния людей. Что касается более современных биотехнологических процессов, то они основаны на методах рекомбинантных ДНК, а также на использовании иммобилизованных ферментов, клеток или клеточных органелл. Другими словами, развитие биотехнологии в огромной степени определяется исследованиями в области микробиологии, биохимии, энзимологии и генетики микроорганизмов.

В перспективе на основе методов рекомбинантных ДНК биотехнология позволит освоить синтез растительных белков и добиться искусственного фотосинтеза и фиксации молекулярного азота в промышленных масштабах, решения экологических проблем, включая переработку отходов и борьбу с загрязнениями окружающей среды. Биологические препараты, практически значимые в растениеводстве, животноводстве, хранении и переработки сельскохозяйственной продукции, приведут к снижению энергоемкости сельскохозяйственного производства, стабильности экологического равновесия и сбалансированному (функциональному) питанию населения. Биотехнология возобновляемого сырья позволит получать продукты питания и производить различные материальные ценности.

Отечественные ученые вписали немало славных страниц в развитие и становление общей сельскохозяйственной микробиологии, родившихся на стыке других, ранее сформировавшихся наук. История любой науки- это история идей, история их рождения, борьбы, утверждения и развития. Следует вспомнить слова русского писателя А.М. Горького: «Нет силы более могучей, чем знание: человек, вооруженный знаниями, непобедим». Славные имена русских ученых – микробиологов всегда занимают достойное место в истории микробиологии.

Основная задача биотехнологии – помочь сельскому хозяйству получить продукты питания с минимальным применением средств химизации, а вторичное сырье (не отходы) – превращать в полезные для человека продукты и товары. Перерабатывающую же промышленность биотехнология должна превратить в безотходное производство с использованием различных схем очистки производственных стоков и твердых «отходов».