Биотехноло́гия дисциплина, изучающая возможности использования живых организмов, их систем или продуктов их жизнедеятельности для решения технологических задач, а также возможности создания живых организмов с необходимыми свойствами методом генной инженерии. Возможности биотехнологии необычайно велики благодаря тому, что ее методы выгоднее обычных : они используются при оптимальных условиях ( температуре и давлении ), более производительны, экологически чисты и не требуют химических реактивов, отравляющих среду и др.

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

Биотехнологией часто называют применение генной инженерии в веках, но термин относится и к более широкому комплексу процессов модификации биологических организмов для обеспечения потребностей человека, начиная с модификации растений и одомашненных животных путем искуственного отбора и гибридизации. С помощью современных методов традиционные биотехнологические производства получили возможность улучшить качество пищевых продуктов и увеличить продуктивность живых организмов.

Биотехнология основана на генетике, молекулярной биологии, биохимии, эмбриологии и клеточной биологии, а также прикладных дисциплинах химической и информационной технологиях и робототехнике.

Объектами биотехнологии служат многочисленные представители групп живых организмов микроорганизмы (вирусы, бактерии, протисты, дрожжи и др.}, растения, животные, а также изолированные из них клетки и субклеточные структуры (органеллы). Биотехнология базируется на протекающих в живых системах физиолого- биохимических процессах, в результате которых осуществляются выделение энергии, синтез и расщепление продуктов метаболизма, формирование химических и структурных компонентов клетки.

Отдельные биотехнологические процессы, используемые в повседневной жизнедеятельности человека, известны с древних времён. К ним, например, относится хлебопечение, виноделие, приготовление кисло-молочных продуктов. Тем не менее, биологическая сущность этих процессов была выяснена лишь в XIX веке.

В 1814 году академиком К.С. Кирхгоф было открыто явление биологического катализа, и им была предпринята попытка биокаталитическим путём получить сахар из доступного отечественного сырья (до середины XIX века сахар получали только из сахарного тростника).

А в 1891 году в США японский биохимик Дз. Такамине получил первый патент на использование ферментных препаратов в промышленных целях. Учёный предложил применить диастазу для осахаривания растительных отходов. Таким образом, уже в начале XX века наблюдается активное развитие бродильной и микробиологической промышленности. В эти же годы были предприняты первые попытки использовать ферменты в текстильной промышленности. Такамине

В годах русский биохимик А. М. Коленев пытался разработать способ, который позволил бы управлять действием ферментов в природном сырье при производстве табака. Определённый вклад в развитие практической биохимии принадлежит академику А.Н. Баху, который создал важное прикладное направление биохимии - техническую биохимию.

А.Н. Бах и его ученики разработали множество рекомендаций по улучшению технологий обработки самого различного биохимического сырья, совершенствованию технологий хлебопечения, пивоварения, виноделия, производства чая и табака, а также рекомендации по повышению урожая культурных растений путём управления протекающими в них биохимическими процессами. Все эти исследования, а также прогресс химической и микробиологической промышленности и создание новых промышленных биохимических производств стали главными предпосылками возникновения современной биотехнологии.В производственном отношении основой биотехнологии в процессе её формирования стала микробиологическая промышленность.

Первый антибиотик пенициллин был выделен в 1940 году. Вслед за пенициллином были открыты и другие антибиотики (эта работа продолжается и поныне). С открытием антибиотиков сразу же появились новые задачи: налаживание производства лекарственных веществ, продуцируемых микроорганизмами, работа над удешевлением и повышением уровня доступности новых лекарств, получением их в очень больших количествах, необходимых медицине.

Можно выделить следующие основные этапы развития биотехнологии: 1) Развитие эмпирической технологии - неосознанное применение микробиологических процессов (хлебопечение, виноделие) примерно с VI тысяч лет до нашей эры. 2) Зарождение фундаментальных биологических наук в XV-XVIII веке. 3) Первые внедрения научных данных в микробиологическое производство в конце ХIХ-начале XX века - период революционных преобразований в микробиологической промышленности. 4 ) Создание научно-технических предпосылок возникновения современной биотехнологии в первой половине XX века (открытие структуры белков, применение вирусов в изучении генетики клеточных организмов).

5) Возникновение собственно биотехнологии как новой научно-технической отрасли (середина XX века), связанное с массовым рентабельным производством препаратов; организация крупнотоннажных производств по получению белка на углеводородах. 6) Появление новейшей биотехнологии, связанное с применением в практике генной и клеточной инженерии, инженерной энзимологии, иммунной биотехнологии. микробиологическое производство производство очень высокой культуры. Технология его очень сложна и специфична, обслуживание аппаратуры требует овладения специальными навыками. В настоящее время с помощью микробиологического синтеза производят антибиотики, ферменты, аминокислоты, полупродукты для дальнейшего синтеза разнообразных веществ, феромоны (вещества, с помощью которых можно управлять поведением насекомых), органические кислоты, кормовые белки и другие. Технология производства этих веществ хорошо отработана, получение их микробиологическим путём экономически выгодно.

Главными направлениями биотехнологии являются: 1) производство с помощью микроорганизмов и культивируемых эука-риотических клеток биологически активных соединений (ферментов, витаминов, гормональных препаратов), лекарственных препаратов (антибиотиков, вакцин, сывороток, высокоспецифичных антител и др.), а также белков, аминокислот, используемых в качестве кормовых добавок; 2) применение биологических методов борьбы с загрязнением окружающей среды (биологическая очистка сточных вод, загрязнений почвы и т. и.) и для защиты растений от вредителей и болезней; 3) создание новых полезных штаммов микроорганизмов, сортов растений, пород животных и т. п.

Задачей селекционеров в наше время стало решение проблемы создания новых форм растений, животных и микроорганизмов, хорошо приспособленных к индустриальным способам производства, устойчиво переносящих неблагоприятные условия, эффективно использующих солнечную энергию и, что особенно важно, позволяющих получать биологически чистую продукцию без чрезмерного загрязнения окружающей среды. Принципиально новыми подходами к решению этой фундаментальной проблемы является использование в селекции генной и клеточной инженерии.

– для производства продуктов питания (хлебопечение, производство молочнокислых продуктов); – для производства алкогольных напитков (пивоварение, виноделие); – для производства промышленных товаров (кожевенное, текстильное производство); – для повышения плодородия почв (использование органических и зеленых удобрений). Традиционные биотехнологии сложились на основании эмпирического опыта многих поколений людей, они характеризуются консерватизмом и сравнительно низкой эффективностью. Однако в течение XIX– XX столетий на основе традиционных биотехнологий начали формироваться технологии более высокого уровня: технологии повышения плодородия почв, технологии биологической очистки сточных вод, технологии производства биотоплива. Традиционные биотехнологии, существующие уже тысячи лет, используют существующие в природе микроорганизмы…

Генная инженерия (раздел биотехнологии, связанный с целенаправленным конструированием новых, не существующих в природе, сочетаний генов, внедренных в живые клетки, способные синтезировать определенный продукт) Клеточная инженерия (метод конструирования клеток нового типа) Биологическая инженерия (методы использования микроорганизмов в качестве биореакторов для получения промышленной продукции)

Сконструированные генными инженерами сочетания генов функционируют в клетке-реципиенте и синтезируют необходимый белок. Особый практический интерес представляет введение в геном животных и растений различных генных конструкций: как синтезированных, так и генов других животных, растений и человека. Такие растения и животные называются генетически измененными, а продукты их переработки – трансгенными продуктами. Трансгенная кукуруза добавляется в кондитерские и хлебобулочные изделия, безалкогольные напитки; Модифицированная соя входит в состав рафинированных масел, маргаринов, жиров для выпечки, соусов для салатов, майонезов, макаронных изделий, вареных колбас, кондитерских изделий, белковых биодобавок, кормов для животных и даже детского питания Используя достижения генной инженерии, ученые научились пересаживать гены из одних клеток в другие. А так как для этого используются половые клетки живых организмов, гены выстраиваются в наследственный аппарат нового хозяина

Культура клеток позволяет сохранять их жизнеспособность вне организма в искусственно созданных условиях жидкой или плотной питательной среды. Такие клоны используют в качестве своеобразных фабрик для производства биологически активных веществ, например гормона эритропоэтина, стимулирующего образование красных кровяных телец. Овечка Долли – первое в мире клонированное животное Эмбриональные стволовые клетки – генетическая информация, заключенная в их ядрах, находятся как бы в состоянии покоя. Они могут принять любую программу и превратиться в один из 150 возможных типов зародышевых клеток компания Novartis разводит свиней для использования их органов в человеческой трансплантации. Целый ряд западных компаний озабочены проблемой выращивания специальных трансгенных животных, способных помимо молока, мяса и органов для трансплантации "производить" еще и лекарства.

Этот раздел биотехнологии особенно важен для России, живущей, к сожалению, в основном за счет продажи ресурсов. Средняя отдача нефтяных месторождений у нас не превышает 50%. Компания «Татнефть», используя новую уникальную микробиологическую теххнологию регулирования микрофлоры нефтяных пластов, получила дополнительно около полумиллиона тонн нефти на месторождении Башкирии. На снимке - биореактор на нефтеперерабатывающем предприятии в Индонезии

Микроорганизмы издавна используются при производстве органических удобрений (компостов) путем переработки биологических отходов. Особую группу составляют азотфиксирующие микроорганизмы: свободноживущие и симбиотические. Например, культуры симбиотических бактерий рода Ризобиум в видебактериальных удобрений (нитрагина и ризоторфина) вносятся в почву при посеве бобовых растений (люцерны, клевера, люпина). В дальнейшем бактерии в составе клубеньков обеспечивают фиксацию атмосферного азота и его накопление в почве. Сконструированные штаммы микроорганизмов неконкурентоспособны по отношению к своим «диким» родичам, поэтому их нужно разводить в искусственных условиях и ежегодно вносить в почву.

С начала ХХ в. микроорганизмы в сочетании с химическими методами используются для биологической очистки сточных вод. Интенсивную очистку производят в особых ёмкостях: аэротенках, метантенках. Различают две технологии минерализации (очистки вод от органических загрязнителей): аэробную и анаэробную. При аэробной минерализации в аэротенках используется активный ил, содержащий бактерий и одноклеточных гетеротрофных эукариот. В результате такой очистки происходит полное окисление органических веществ. При анаэробной минерализации в метантенках происходит сбраживание органических веществ с образованием метана, который в дальнейшем используется как топливо (биогаз). Для разложения синтетических органических веществ (например, моющих средств) используют бактерий, полученных путем искусственного мутагенеза. Некоторые микроорганизмы используются для избирательного накопления отдельных химических элементов: диатомовые водоросли для накопления кремния, железобактерии для накопления железа и т.д. Эти же микроорганизмы используются для обогащения металлургического сырья.

К биологическому топливу относятся углеводороды и спирты, полученные путем переработки различных органических отходов с помощью микроорганизмов. Например, отходы крахмального и сахарного производства, текстильной и деревообрабатывающей промышленности служат сырьем для производства спирта и биогаза – дешевого топлива для автомобильных двигателей и других силовых установок. Отметим, что спирты и биогаз относятся к экологически чистым видам топлива – при их сжигании образуются полностью окисленные соединения.

1. Применение клеточных культур позволяет преодолеть многие проблемы биоэтики (биологической этики), связанные с умерщвлением животных. Поэтому культуры клеток широко используются в научных исследованиях. 2. В культуре можно выращивать строго определенные клетки в неограниченном количестве. Поэтому культуры клеток и тканей, выделенные из природного материала, широко используются при промышленном производстве биологически активных веществ. В частности, на клеточно-тканевом уровне выращиваются женьшень, родиола розовая и другие лекарственные растения. 3. Из апикальных меристем путем микроклонирования получают посадочный материал ценных сортов растений, свободный от многих болезней (например, от вирусов и микоплазм), в частности, безвирусный посадочный материал цветочных и плодово-ягодных культур. На питательной среде размножают и каллусные ткани, которые в дальнейшем дифференцируются с образованием целостных растений.

4. Решаются проблемы получения отдаленных гибридов растений. Во-первых, путем соматической гибридизации можно скрещивать растения, которые не скрещиваются обычным путем. Во-вторых, полученные отдаленные гибриды можно воспроизводить, минуя семенное размножение и мейотический фильтр. 5. На культурах клеток получают вакцины, например, против кори, полиомиелита. В настоящее время решается вопрос крупномасштабного производства моноклональных антител на основегибридомных культур. 6. Сохраняя культуры клеток, можно сохранять генотипы отдельных организмов и создавать банки генофондов отдельных сортов и даже целых видов, например, в виде мериклонов (культур меристем). 7. Манипуляции с отдельными клетками и их компонентами используются для клонирования животных. Например, ядра из клеток кишечного эпителия головастика внедряются в энуклеированныеяйцеклетки лягушки. В результате из таких яйцеклеток развиваются особи с генетически идентичными ядрами.

1.Созданы банки генов, или клонотеки, представляющие собой коллекции клонов бактерий. Каждый из этих клонов содержит фрагменты ДНК определенного организма (дрозофилы, человека и других). 2.На основе трансформированных штаммов вирусов, бактерий и дрожжей осуществляется промышленное производство инсулина, интерферона, гормональных препаратов. На стадии испытаний находится производство белков, позволяющих сохранить свертываемость крови при гемофилии, и других лекарственных препаратов. 3.Созданы трансгенные высшие организмы (некоторые рыбы и млекопитающие, многие растения) в клетках которых успешно функционируют гены совершенно других организмов. Широко известны генетически модифицированные растения (ГМР), устойчивые к высоких дозам определенных гербицидов, а также Bt-модифицированные растения, устойчивые к вредителям.

4.Разработаны методы клонирования строго определенных участков ДНК, например, метод полимеразной цепной реакции (ПЦР). ПЦР- технологии применяются для идентификации определенных нуклеотидных последовательностей, что используется при ранней диагностике некоторых заболеваний, например, для выявления носителей ВИЧ-инфекции. Возможности генной инженерии практически безграничны. В настоящее время интенсивно изучается возможность коррекции генома человека (и других организмов) при генетических и негенетических заболеваниях.

Связь биотехнологии с другими науками ( по В.И.Кефели, 1989)